EP1790830A1 - Turbolader - Google Patents

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EP1790830A1
EP1790830A1 EP20050025829 EP05025829A EP1790830A1 EP 1790830 A1 EP1790830 A1 EP 1790830A1 EP 20050025829 EP20050025829 EP 20050025829 EP 05025829 A EP05025829 A EP 05025829A EP 1790830 A1 EP1790830 A1 EP 1790830A1
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EP
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blade
upper side
turbocharger
exhaust gas
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Mathias Dr. Weber
Jochen Zuck
Dietmar Metz
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BorgWarner Inc
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/60—Structure; Surface texture
    • F05D2250/61—Structure; Surface texture corrugated
    • F05D2250/611—Structure; Surface texture corrugated undulated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved
    • F05D2250/713—Shape curved inflexed

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger, in particular a VTG turbocharger, according to the preamble of claim 1.
  • Such a turbocharger is from the US 6,709,232 B1 (corresponding EP 1 534 933 A1 ) known.
  • variable-turbocharger turbochargers The benefits and success of direct-injection diesel engines in terms of driveability and low fuel consumption have been substantially supported by the use of variable-turbocharger turbochargers.
  • the possible operating range of the turbine can be significantly increased with good efficiency compared to bypass-controlled turbines.
  • variable turbine geometry (VTG) turbocharger When using a variable turbine geometry (VTG) turbocharger, it is known that the efficiency of using straight blades (i.e., straight skeleton blades and symmetrical thickness distribution blades) reaches their limits at high levels of turbocharging. This applies in particular to the starting range of the engine (low engine speed at full load). However, the properties of the straight blades with regard to their controllability can be described as good.
  • VGT variable turbine geometry
  • the blade geometry according to the invention has the advantage that the displacement of the axis of rotation compared to the known from the prior art blades must be made only by a smaller amount. Thus, a smaller radial space compared to known solutions is required.
  • the wave-shaped profile center line of the blade according to the invention consists of two counter-rotating shaft bellies. If this profile center line shape is entered in an XY coordinate system with horizontal X-axis and vertical Y-axis, following the leading edge of the blade, negative Y-values will first result, which will change into positive Y-values after passing through the X-axis and at where the profile centerline has a turning point.
  • thermodynamic properties results in a change in the orientation of the blade leading edge, which reduces the impact losses due to a shallower flow of the blade leading edge.
  • a blade according to the invention is defined as a self-negotiable object.
  • FIG. 1 shows a turbocharger 1 according to the invention in the form of a VTG exhaust gas turbocharger.
  • the turbocharger 1 has a turbine housing 2, which comprises an exhaust gas inlet opening 3 and an exhaust gas outlet opening 4.
  • a turbine wheel 5 is arranged in the turbine housing 2, which is mounted on a shaft 6.
  • a plurality of blades is arranged in the turbine housing 2 between the exhaust gas inlet opening 3 and the turbine wheel 5.
  • turbocharger 1 also has all other conventional components of a turbocharger such as a compressor wheel, which is mounted on the shaft 6 and arranged in a compressor housing, as well as the entire storage unit, which will not be described below, as they are for the explanation of Principles of the present invention are not required.
  • a turbocharger such as a compressor wheel, which is mounted on the shaft 6 and arranged in a compressor housing, as well as the entire storage unit, which will not be described below, as they are for the explanation of Principles of the present invention are not required.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a blade 7 according to the invention.
  • the blade 7 has a blade underside 8 which, when installed, is the blade side facing the turbine wheel 5.
  • the blade 7 has a blade upper side 9, which together with the blade underside 8 determines the thickness of the blade 7.
  • the blade underside 8 and the blade upper side 9 converge in the position of the blade 7 on the right-hand side in a blade leading edge 10 shown in FIG. 2 and in a blade trailing edge 11 on the left-hand side.
  • this profile center line 12 has two counter-curved regions 12A and 12B, the Embodiment yield a wavy contour of the profile centerline 12, wherein the regions 12A and 12B are each formed in the manner of shaft bellies.
  • FIG. 2 further illustrates that the profile center line 12 has a point of inflection WP and, furthermore, FIG. 2 illustrates the position of the angle of incidence ⁇ at the blade leading edge 10, which is also referred to as the nose of the profile of the blade 7.
  • the angle of incidence ⁇ is the acute angle of the tangent of the profile center line 12 at the inflection point and the tangent of the profile center line 12 B to the blade leading edge 10.
  • the profile of the profile center line 12 is plotted in an X-Y coordinate system, the X axis representing the blade length of the blade 7.
  • the representation chosen in FIG. 3 is a profile of the profile center line or skeleton line 12, formed as a vertical distance relative to the chord, which is formed by linear connection of the blade leading edge and the blade trailing edge and representing the length of the blade.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate two basically conceivable embodiments of the blade 7 according to FIG. 2 Embodiment according to FIG. 4, the upper side 9 is formed curved in the region 13 following the blade trailing edge 11. This area is indicated in FIG. 5 by the reference numeral 13 'and is flattened, that is not curved, but flat.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Abgaseintrittsöffnung (3) und eine Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist; mit einem Turbinenrad (5), das auf einer Welle (6) befestigt und in Turbinengehäuse (2) angeordnet ist; mit einer Mehrzahl von Schaufeln (7;7'), die im Turbinengehäuse (2) zwischen der Abgaseintrittsöffnung (3) und dem Turbinenrad (5) angeordnet sind, wobei jede Schaufel folgendes aufweist:
eine Profilunterseite (8;8') und eine Profiloberseite (9;9'), die die Schaufeldicke bestimmen, eine Schaufelvorderkante (10;10') an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8;8') und der Schaufeloberseite (9;9'), eine Schaufelhinterkante (11;11') an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8;8') und der Schaufeloberseite (9;9'), eine Profilmittellinie (12;12'), die von der Schaufelunterseite (8;8') und der Schaufeloberseite (9;9') definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante (10;11') zur Schaufelhinterkante (11;11') verläuft, wobei der Verlauf der Profilmittellinie (12;12') wellenförmig ist.
Figure imgaf001

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere einen VTG-Abgasturbolader, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Ein derartiger Turbolader ist aus der US 6,709,232 B1 (entsprechend EP 1 534 933 A1 ) bekannt.
  • Die Vorteile und der Erfolg direkt einspritzender Dieselmotoren bezüglich Fahrbarkeit und geringem Verbrauch sind durch den Einsatz von Turboladern mit leitschaufelgeregelter Turbine wesentlich unterstützt worden. Hiermit kann der mögliche Betriebsbereich der Turbine bei gutem Wirkungsgrad im Vergleich zu bypassgeregelten Turbinen wesentlich vergrößert werden.
  • Bei Einsatz eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ist es bekannt, dass die Effizienz bei Verwendung von geraden Schaufeln (d.h., Schaufeln mit gerader Skelett- bzw. Profilmittellinie und einer symmetrischen Dickenverteilung) bei hohen Aufladegraden an ihre Grenzen stößt. Dies gilt insbesondere für den Anfahrbereich des Motors (geringe Motordrehzahl bei Volllast). Die Eigenschaften der geraden Schaufeln bezüglich deren Regelbarkeit können jedoch als gut bezeichnet werden.
  • Um die genannten thermodynamischen Defizite der geraden Schaufeln auszugleichen, schlägt die zuvor genannte US 6,709,232 B1 den Einsatz gebogener bzw. profilierter Schaufeln vor. Im geschlossenen Zustand dieser Schaufeln, d.h., wenn die Schaufeln sehr eng beieinanderstehen, kommt es bei der aus der gattungsgemäßen Druckschrift bekannten Anordnung zu Fehlanströmungen, die zu Verstellmomenten führen, die entweder in die Richtung des Öffnens der Schaufeln oder des Schließens der Schaufeln wirken. Weiterhin beeinflusst die Geschwindigkeitsverteilung und die daraus resultierende Verteilung des statisches Druckes im Kanal, der von zwei benachbarten Schaufeln gebildet wird, die Momentenbildung auf die Schaufeln. Ferner kann dieser Effekt zu einer Vergrößerung der Hysterese beim Regelungsvorgang führen, was bis zum Verlust der Verstellfähigkeit führen kann, falls die auftretenden Kräfte die Kräfte der Verstelleinrichtung überschreiten.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der gute thermodynamische Eigenschaften seiner Schaufeln der verstellbaren Turbinengeometrie mit einer verbesserten Regelungseigenschaft ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Durch den Einsatz eines Turboladers mit der erfindungsgemäßen Schaufelform kann neben einer Verbesserung der Thermodynamik durch Verringerung der Totaldruckverluste im Leitapparat das auftretende Schließmoment deutlich reduziert werden. Somit kann unter Beibehaltung der Drehachse der Schaufel das Regelungsverhalten verbessert werden.
  • Sollen Öffnungsmomente erzielt werden, muss eine Verschiebung der Drehachse zur Schaufelvorderkante hin erfolgen. Hierfür bietet die erfindungsgemäße Schaufelgeometrie den Vorteil, dass die Verschiebung der Drehachse im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schaufeln nur um einen geringeren Betrag erfolgen muss. Somit ist ein geringerer radialer Bauraum im Vergleich zu bekannten Lösungen erforderlich.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Die wellenförmige Profilmittellinie der erfindungsgemäßen Schaufel besteht aus zwei gegenläufigen Wellenbäuchen. Wird diese Profilmittellinienform in ein X-Y-Koordinatensystem mit horizontaler X-Achse und vertikaler Y-Achse eingetragen, ergeben sich im Anschluss an die Schaufelvorderkante zunächst negative Y-Werte, die nach dem Durchtritt durch die X-Achse in positive Y-Werte übergehen und bei denen die Profilmittellinie einen Wendepunkt aufweist.
  • Hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften ergibt sich eine geänderte Ausrichtung der Schaufelvorderkante, was die Stoßverluste aufgrund einer flacheren Anströmung der Schaufelvorderkante verringert.
  • Ferner ergeben sich in den Kanälen zwischen den Schaufeln geringere Geschwindigkeiten, was geringere Strömungsverluste ergibt, wobei jedoch eine annähernd gleich bleibende Umlenkung in Umfangsrichtung aufrecht erhalten werden kann.
  • Ferner werden die auftretenden Momente in Richtung "Öffnen" geändert, was durch geringere Geschwindigkeiten im Kanal erreicht wird, wobei der statische Druck ansteigt und dadurch in Verbindung mit dem Drehpunkt ein Moment in Richtung "Öffnen" entsteht. Dies gilt für den vorderen Bereich der Schaufelunterseite und den hinteren Bereich der Schaufeloberseite
    Wird der hintere Bereich 13' der Schaufeloberseite geradlinig ausgeführt, ergibt sich eine Vergrößerung des wirksamen Kanalquerschnitts.
  • Dies ergibt wiederum geringere Verluste durch niedrige Geschwindigkeiten im Kanal bei gleich bleibender Umlenkung in Umfangsrichtung.
  • Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine Änderung der auftretenden Momente in Richtung "Öffnen" durch geringere Geschwindigkeiten im Kanal, was wiederum den statischen Druck ansteigen lässt, der in Verbindung mit dem Drehpunkt ein Moment in Richtung "Öffnen" entstehen lässt.
  • In Anspruch 5 ist eine erfindungsgemäße Schaufel als selbstständig handelbares Objekt definiert.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine teilweise aufgebrochene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turboladers;
    Fig. 2
    eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel der verstellbaren Turbinengeometrie des Turboladers gemäß Fig. 1;
    Fig. 3
    ein X-Y-Koordinatensystem, in dem der Verlauf der Profilmittellinie bzw. Skelettlinie der Schaufel gemäß Fig. 2 dargestellt ist;
    Fig. 4 und 5
    weitere Ausführungsvarianten der Schaufel gemäß Fig. 2;
  • In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbolader 1 in Form eines VTG-Abgasturboladers dargestellt.
  • Der Turbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2 auf, das eine Abgaseintrittsöffnung 3 und eine Abgasaustrittsöffnung 4 umfasst.
  • Ferner ist im Turbinengehäuse 2 ein Turbinenrad 5 angeordnet, das auf einer Welle 6 befestigt ist.
  • Eine Mehrzahl von Schaufeln, von denen in Fig. 1 nur die Schaufel 7 zu sehen ist, ist im Turbinengehäuse 2 zwischen Abgaseintrittsöffnung 3 und dem Turbinenrad 5 angeordnet.
  • Natürlich weist der erfindungsgemäße Turbolader 1 auch alle anderen üblichen Bauteile eines Turboladers wie ein Verdichterrad, das auf der Welle 6 befestigt und in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist, wie auch die gesamte Lagereinheit auf, die jedoch nachfolgend nicht beschrieben werden, da sie für die Erläuterung der Prinzipien vorliegender Erfindung nicht erforderlich sind.
  • In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel 7 dargestellt.
  • Die Schaufel 7 weist eine Schaufelunterseite 8 auf, die im eingebauten Zustand die dem Turbinenrad 5 zugewandte Schaufelseite ist.
  • Ferner weist die Schaufel 7 eine Schaufeloberseite 9 auf, die zusammen mit der Schaufelunterseite 8 die Dicke der Schaufel 7 bestimmt.
  • Die Schaufelunterseite 8 und die Schaufeloberseite 9 laufen bei der in Fig. 2 dargestellten Lage der Schaufel 7 auf der rechten Seite in einer Schaufelvorderkante 10 und auf der linken Seite in einer Schaufelhinterkante 11 zusammen.
  • Die Schaufelunter- und -oberseite 8 bzw. 9 definieren eine zwischen ihnen liegende Profilmittellinie 12, die auch als Skelettlinie bezeichnet wird. Wie Fig. 2 verdeutlicht, weist bei der dargestellten Ausführungsform diese Profilmittellinie 12 zwei gegenläufig gekrümmte Bereiche 12A und 12B auf, deren Ausgestaltung eine wellenförmige Kontur der Profilmittellinie 12 ergeben, wobei die Bereiche 12A und 12B jeweils nach Art von Wellenbäuchen ausgebildet sind. Fig. 2 verdeutlicht ferner, dass die Profilmittellinie 12 einen Wendepunkt WP aufweist und ferner verdeutlicht Fig. 2 die Lage des Anströmwinkels γ an der Schaufelvorderkante 10, die auch als Nase des Profils der Schaufel 7 bezeichnet wird. Der Anströmwinkel γ ist der spitze Winkel der Tangente der Profilmittellinie 12 im Wendepunkt und der Tangente der Profilmittellinie 12B an der Schaufelvorderkante 10.
  • In Fig. 3 ist der Verlauf der Profilmittellinie 12 in einem X-Y-Koordinatensystem aufgetragen, wobei die X-Achse die Schaufellänge der Schaufel 7 darstellt.
  • Der Graph der Profilmittellinie 12 zeigt den an der Schaufelvorderkante 10 beginnenden Bereich 12B, der zwischen der Schaufelvorderkante 10 (X=0, Y=0) und dem Nulldurchgang (X≈0,27; Y=0) negative Y-Werte aufweist. Der Nulldurchgang liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen X=0,10 und X=0,40.
  • Der zweite Bereich 12A weist ab dem genannten Nulldurchgang stets positive Werte bis zur Schaufelhinterkante 11 (X=1, Y=0) auf. Der Wendepunkt WP liegt bei einem Wert von etwa X=0,4; Y=0,02).
  • Bei der in Fig. 3 gewählten Darstellung handelt es sich um einen Verlauf der Profilmittellinie bzw. Skelettlinie 12, gebildet als senkrechter Abstand relativ zur Sehne, die durch lineare Verbindung der Schaufelvorder- und der Schaufelhinterkante gebildet wird und die Länge der Schaufel repräsentiert.
  • Die Fig. 4 und 5 stellen zwei grundsätzlich denkbare Ausführungsvarianten der Schaufel 7 gemäß Fig. 2 dar. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die Oberseite 9 im Bereich 13 anschließend an die Schaufelhinterkante 11 gekrümmt ausgebildet. Dieser Bereich ist in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 13' gekennzeichnet und ist abgeplattet, also nicht gekrümmt, sondern flach ausgebildet.
  • Zur Offenbarung der Merkmale vorliegender Erfindung wird zusätzlich zur schriftlichen Beschreibung explizit auf die zeichnerische Darstellung verwiesen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbolader
    2
    Turbinengehäuse
    3
    Abgaseintrittsöffnung
    4
    Abgasaustrittsöffnung
    5
    Turbinenrad
    6
    Welle
    7, 7'
    Schaufeln
    8, 8'
    Schaufelunterseite (untere Leitflächen)
    9, 9'
    Schaufeloberseite (obere Leitflächen)
    10, 10'
    Schaufelvorderkante
    11, 11'
    Schaufelhinterkante
    12, 12'
    Profilmittellinie (Skelettlinie)
    12A, 12B
    Bauchige Bereiche der Profilmittellinie 12
    13, 13'
    Hintere Bereiche der Profiloberseite 9 bzw. 9'
    WP
    Wendepunkt
    γ
    Anströmwinkel

Claims (5)

  1. Turbolader (1)
    mit einem Turbinengehäuse (2), das eine Abgaseintrittsöffnung (3) und eine Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist;
    mit einem Turbinenrad (5), das auf einer Welle (6) befestigt und im Turbinengehäuse (2) angeordnet ist;
    mit einer Mehrzahl von Schaufeln (7; 7'), die im Turbinengehäuse (2) zwischen der Abgaseintrittsöffnung (3) und im Turbinenrad (5) angeordnet sind, wobei jede Schaufel folgendes aufweist:
    • eine Schaufelunterseite (8; 8') und eine Schaufeloberseite (9; 9'), die die Schaufeldicke bestimmen,
    • eine Schaufelvorderkante (10; 10') an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'),
    • eine Schaufelhinterkante (11; 11') an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'),
    • eine Profilmittellinie (12; 12'), die von der Schaufelunterseite (8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9') definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante (10; 10') zur Schaufelhinterkante (11; 11') verläuft,
    dadurch gekennzeichnet,
    • dass der Verlauf der Profilmittellinie (12; 12') wellenförmig mit zwei gegenläufigen Wellenbäuchen (12A, 12B) ist.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7) einen hinteren Bereich (13) der Schaufeloberseite (9) aufweist, der gekrümmt ist.
  3. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (7') einen hinteren Bereich (13') der Schaufeloberseite (9') aufweist, der flach ausgebildet ist
  4. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmwinkel γ vorzugsweise in einem Bereich von 10° bis 30 ° liegt.
  5. Schaufel (7; 7') eines Turboladers (1), der ein Turbinengehäuse (2) mit einer Abgaseintrittsöffnung (3) und einer Abgasaustrittsöffnung (4) aufweist, in dem ein auf einer Welle (6) befestigtes Turbinenrad (5) angeordnet ist, wobei die Schaufel (7) folgendes umfasst:
    • eine Schaufelunterseite (8; 8') und eine Schaufeloberseite (9; 9'), die die Schaufeldicke bestimmen,
    • eine Schaufelvorderkante (10; 10') an einem ersten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'),
    • eine Schaufelhinterkante (11; 11') an einem zweiten Schnittpunkt der Schaufelunterseite (8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9'), und
    • eine Profilmittellinie (12; 12'), die von der Schaufelunterseite (8; 8') und der Schaufeloberseite (9; 9') definiert ist und zwischen diesen von der Schaufelvorderkante (10; 10') zur Schaufelhinterkante (11; 11') verläuft, gekennzeichnet durch wenigstens eines der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 3.
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