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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 10 2009 050 951 A1 offenbart eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad der Turbine um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Das Turbinengehäuse weist ferner wenigstens einen Strömungskanal auf, der von Abgas durchströmbar ist und über welchen das Abgas dem Turbinenrad zuführbar ist.
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In dem Turbinengehäuse ist ein Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet, welche das zum Turbinenrad strömende Abgas ableiten. So kann das Abgas das Turbinenrad strömungsgünstig anströmen.
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Die Turbine umfasst auch einen sogenannten Axialschieber, welcher eine matrizenartige Aufnahme aufweist. In der Aufnahme sind die Leitschaufeln zumindest teilweise aufnehmbar, so dass die Leitschaufeln in radialer Richtung der Turbine beidseitig abgedeckt sind.
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Zur Gewährleistung einer hohen Funktionserfüllungssicherheit des Axialschiebers sind zwischen dem Axialschieber und den Leitschaufeln sogenannte Funktionsspalte vorzusehen, damit es nicht zu einem Verklemmen des Axialschiebers mit den Leitschaufeln und/oder zu anderweitigen Fehlfunktionen kommt.
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Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik derartige Turbinen mit Turbinengehäusen bekannt, in welchen eine jeweilige Leiteinrichtung angeordnet ist. Die Leiteinrichtung umfasst um eine jeweilige Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbare Leitschaufeln. Die Leitschaufeln sind in einem Strömungskanal angeordnet und können das das Turbinenrad anströmende Abgas ableiten. Um nun ein Verklemmen und/oder anderweitige Fehlfunktionen der Leitschaufeln zu vermeiden, sind ebenso Funktionsspalte zwischen den Leitschaufeln und den Strömungskanal begrenzenden Wandungen vorzusehen.
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Die Funktionsspalte sind insbesondere daher vonnöten, da sich die Leitschaufeln und das Turbinengehäuse bzw. die den Strömungskanal begrenzenden Wandungen infolge einer Beaufschlagung mit relativ hohen Temperaturen des heißen Abgases thermisch verformen, insbesondere ausdehnen. Dabei kann es zu unterschiedlichen, thermischen Verformungen kommen.
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Es hat sich gezeigt, dass es aufgrund der Funktionsspalte zu sogenannten Sekundärsträmungsverlusten kommen kann. Das Abgas kann über die Funktionsspalte an den Leitschaufeln vorbei strömen, so dass das Abgas nicht von den Leitschaufeln abgeleitet bzw. umgelenkt wird. Das Abgas strömt dann das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen ungerichtet an, was den effizienten Betrieb der Turbine beeinträchtigt. Ferner weisen die bekannten Turbinen eine relativ hohe Komplexität auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche eine nur sehr geringe Komplexität sowie einen besonders effizienten Betrieb aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader umfasst ein Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist wenigstens einen Strömungskanal auf, der von Abgas durchströmbar ist. Über den Strömungskanal ist das Abgas einem Turbinenrad der Turbine zuführbar.
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Erfindungsgemäß umfasst das Turbinengehäuse wenigstens zwei in axialer Richtung einander anschließende und miteinander verbundene Gehäuseteile, zwischen welchen zumindest bereichsweise ein Einsatzelement angeordnet ist. Der Strömungskanal ist dabei teilweise von wenigstens einem der Gehäuseteile und teilweise von dem Einsatzelement begrenzt. Das wenigstens zweiteilige Turbinengehäuse und das Einsatzelement weisen ein besonders vorteilhaftes Verformungsverhalten während des Betriebs der Turbine auf, bei welchem der Strömungskanal von heißem Abgas beispielsweise einer der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine durchströmt wird. Infolge der wenigstens zweiteiligen Ausgestaltung und des Einsatzelements kommt es zu nur sehr geringen, thermisch bedingten Verformungen der Turbine. Dies kommt einem besonders effizienten Betrieb der Turbine zugute, da beispielsweise Funktionsspalte zwischen relativ zueinander bewegbaren Elementen der Turbine besonders gering gehalten werden können. Ferner kann die erfindungsgemäße Turbine mit einer nur sehr geringen Komplexität ausgebildet werden, was zu einer sehr hohen Funktionserfüllungssicherheit und zu nur geringen Kosten der Turbine führt. Insbesondere ist es möglich, einen Aufwand zur Herstellung der Gehäuseteile und des Einsatzelements insbesondere hinsichtlich Toleranzen gering zu halten. Daraus resultieren besonders gering Herstellkosten für das Turbinengehäuse und das Einsatzelements.
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Die hohe Funktionserfüllungssicherheit der Turbine ermöglicht den effizienten Betrieb der Turbine auch über eine hohe Lebensdauer hinweg sowie bei hohen Abgastemperaturen. Insbesondere ist die Gefahr einer Rissbildung des Turbinengehäuses auch bei sehr hohen Temperaturen besonders gering.
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Vorzugsweise ist das separat von den Gehäuseteilen ausgebildete Einsatzelement zumindest bereichsweise in radialer Richtung von wenigstens einem der Gehäuseteile beabstandet. Dadurch kann sich das Einsatzelement während des Betriebs der Turbine zumindest nahezu ungehindert insbesondere in radialer Richtung ausdehnen und zusammenziehen und so relativ zu den Gehäuseteilen bewegen, ohne dass es zu Verspannungen und daraus resultierenden Beschädigungen und/oder Fehlfunktionen der Turbine kommt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Einsatzelement zwischen den Gehäuseteilen geklemmt. Dadurch ist eine feste und gleichzeitig einfache und damit kostengünstige Befestigung des separat von den Gehäuseteilen ausgebildeten Einsatzelements realisiert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Turbine ist eine Verstelleinrichtung mit wenigstens einem relativ zu den Gehäuseteilen bewegbaren Verstellelement vorgesehen, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt, über welchen dem Turbinenrad das Abgas zuführbar ist, einstellbar ist. Mit anderen Worten kann der Strömungsquerschnitt mittels Bewegen des Verstellelements relativ zu den Gehäuseteilen erweitert oder demgegenüber verengt werden. Dadurch kann das Aufstauverhalten der erfindungsgemäßen Turbine variabel eingestellt werden. Die Turbine ist somit an unterschiedliche Massenströme des Abgases variabel und bedarfsgerecht einstellbar und kann sowohl bei relativ hohen Abgasmassenströmen als auch bei demgegenüber geringen Abgasmassenströmen effizient betrieben werden.
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Vorzugsweise ist das Verstellelement in axialer Richtung der Turbine relativ zu den Gehäuseteilen und dem Einsatzelement verschiebbar. Die Verstelleinrichtung weist dadurch eine besonders hohe Robustheit gegenüber hohen Temperaturen und damit eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auf. Dies gewährleistet einen effizienten Betrieb der Turbine auch über eine hohe Lebensdauer hinweg.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist wenigstens eine Leiteinrichtung mit Leitelementen, insbesondere Leitschaufel, vorgesehen, mittels welchen das dem Turbinenrad zuzuführende Abgas ableitbar ist. Infolge der Ableitung bzw. Umlenkung des Abgases mittels der Leitelemente kann das Abgas das Turbinenrad in wenigstens einem strömungsgünstigen Winkel anströmen und dadurch effizient antreiben.
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Die Leitelemente sind dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang verteilt angeordnet. Vorzugsweise sind die Leitelemente relativ zum Turbinengehäuse und zum Einsatzelement unbewegbar. Dies hält die Komplexität der Turbine besonders gering.
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Zur Realisierung einer besonders geringen Komplexität, einer besonders hohen Robustheit und somit einer sehr hohen Funktionserfüllungssicherheit der Turbine ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Verstellelement in einem Verstellbereich relativ zu den Leitelementen bewegbar und im zumindest überwiegenden, insbesondere gesamten, Verstellbereich überdeckungsfrei zu den Leitelementen ist. Mit anderen Warten werden die Leitelemente in radialer Richtung der Turbine mittels des Verstellelements weder auf lediglich einer Seite noch auf zwei gegenüberliegenden Seiten überdeckt und nicht im Verstellelement aufgenommen. So können Funktionsspalte zwischen dem Verstellelement und den Leitelementen vermieden werden. Ferner ist die Gefahr eines Verklemmens und/oder anderweitiger Fehlfunktionen des Verstellelements besonders gering. Bei der erfindungsgemäßen Turbine ist auch ein nur sehr geringer Verschleiß insbesondere der Verstelleinrichtung realisiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verstelleinrichtung und insbesondere das Verstellelement zeit- und kostengünstig herstellbar sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das Verstellelement in seiner den Strömungsquerschnitt maximal verengenden Stellung zumindest mittelbar an einer dem Verstellelement zugewandten Stirnseite der Leiteinrichtung, insbesondere den Leitelementen, an. Da die Leitelemente in radialer Richtung der Turbine nicht mittels des Verstellelements überdeckt und nicht im Verstellelement aufgenommen sind, strömt das zumindest im Wesentlichen gesamte Abgas über die Leitelemente und wird von diesen Abgeleitet bzw. umgelenkt. Es kann zumindest im Wesentlichen kein Abgas zwischen dem Verstellelement und den Leitelementen hindurchströmen. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb der Turbine.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung schließt sich in axialer Richtung an die Leitelemente ein Abdeckelement an, welches die Leitelemente in radialer Richtung zum Turbinenrad hin und/oder vom Turbinenrad weg überragt. Dadurch sind sehr günstige Strömungsbedingungen für das Abgas geschaffen, woraus ein effizienter Betrieb der Turbine resultiert.
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Vorzugsweise ist die Leiteinrichtung separat von dem Turbinengehäuse und separat von dem Einsatzelement ausgebildet. Gegenseitige Beeinflussungen von jeweiligen, thermisch bedingten Verformungen der Leiteinrichtung und des Turbinengehäuses können dadurch gering gehalten oder vermieden werden, was insbesondere der Robustheit und der Funktionserfüllungssicherheit der Turbine zuträglich ist.
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Um gegenseitige Beeinflussungen der thermisch bedingten Verformungen der Leiteinrichtung und des Turbinengehäuses besonders gering zu halten, kann die Leiteinrichtung mittels wenigstens eines starren Befestigungselements am Turbinengehäuse befestigt sein. Vorzugsweise ist die Leiteinrichtung dabei zumindest überwiegend von dem Turbinengehäuse beabstandet.
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Bei dem starren Befestigungselement kann es sich um einen Bolzen, eine Schraube oder dergleichen handeln, mittels welchem die Leiteinrichtung in axialer Richtung und in radialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse fixiert ist. Das starre Befestigungselement ist dabei einerseits teilweise im Turbinengehäuse und andererseits teilweise in der Leiteinrichtung aufgenommen. Alternativ kann das starre Befestigungselement teilweise in der Leiteinrichtung und teilweise in einem anderweitigen Gehäuseelement, insbesondere einem Lagergehäuse, des Abgasturboladers aufgenommen sein. Dabei ist das anderweitige Gehäuseelement mit dem Turbinengehäuse verbunden, so dass dadurch die Leiteinrichtung über das anderweitige Gehäuseteil relativ zum Turbinengehäuse festgelegt ist.
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Vorzugsweise ist zur Darstellung einer vorteilhaften Befestigung eine Mehrzahl von starren Befestigungselementen vorgesehen, welche vorteilhafterweise in Umfangsrichtung der Leiteinrichtung zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Turbinengehäuse, welches zweiteilig ausgebildet ist und zwei separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Gehäuseteile umfasst.
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Die Figur zeigt eine Turbine 10 eines Abgasturboladers einer beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12 mit einem ersten Gehäuseteil 14 und einem zweiten Gehäuseteil 16. Das zweite Gehäuseteil 16 schließt sich in axialer Richtung an das erste Gehäuseteil 14 an und ist mit dem ersten Gehäuseteil 14 verbunden. Zum Verbinden der Gehäuseteile 14, 16 sind beispielsweise Schrauben vorgesehen, von denen eine Schraube 18 in der Figur angedeutet ist.
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Der Abgasturbolader umfasst auch ein Lagergehäuse 20, welches sich in axialer Richtung an das zweite Gehäuseteil 16 des Turbinengehäuses 12 anschließt und mit dem zweiten Gehäuseteil 16 verbunden ist.
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Das Lagergehäuse 20 dient zur Lagerung eines Rotors des Abgasturboladers. Der Rotor umfasst eine Welle und ein Turbinenrad der Turbine 10, welches drehfest mit der Welle verbunden ist. Der Rotor umfasst auch ein Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers, welches drehfest mit der Welle verbunden ist.
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Das Turbinengehäuse 12 weist einen in der Figur nicht gezeigten Aufnahmeraum auf, in welchem das Turbinenrad zumindest teilweise um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen ist.
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Das Turbinengehäuse 12 weist ferner einen Strömungskanal 22 auf, welcher mit zumindest einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden ist. Dadurch kann Abgas aus dem Brennraum in den Strömungskanal 22 ein- und den Strömungskanal 22 durchströmen.
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Der Strömungskanal 22 wird auch als Volute bezeichnet und ist beispielsweise als Spiralkanal ausgebildet. Der Strömungskanal 22 erstreckt sich dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig. Über den Strömungskanal 22 ist das den Strömungskanal 22 durchströmende Abgas dem Aufnahmeraum und somit dem Turbinenrad zuführbar, so dass das Abgas das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben kann.
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Die Turbine 10 umfasst ferner ein separat vom Turbinengehäuse 12 und vom Lagergehäuse 20 ausgebildetes Einsatzelement 24, welches zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.
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Wie der Figur zu entnehmen ist, ist der Strömungskanal 22 teilweise von dem zweiten Gehäuseteil 16 und teilweise von dem Einsatzelement 24 begrenzt. Das Einsatzelement 24 begrenzt dabei den Strömungskanal 22 in axialer Richtung von dem Lagergehäuse 20 weg.
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Zur Befestigung des Einsatzelements 24 ist dieses bereichsweise zwischen den Gehäuseteilen 14, 16 angeordnet und zwischen diesen geklemmt. Dazu ist ein Klemmelement 26 vorgesehen, unter dessen Vermittlung das Einsatzelement 24 am ersten Gehäuseteil 14 in axialer Richtung abgestützt ist. Das Klemmelement 26 ist beispielsweise ein Federelement, mittels welchem das Einsatzelement 24 federkraftbeaufschlagt und dadurch fixiert ist.
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Das Einsatzelement 24 kann sich während des Betriebs der Turbine 10, bei welchem heißes Abgas den Strömungskanal 22 durchströmt, zumindest im Wesentlichen ungehindert relativ zum Turbinengehäuse 12 thermisch bedingt bewegen, ohne dass es zu Verspannungen kommt.
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Die Turbine 10 umfasst auch eine Verstelleinrichtung 28, welche auf zeit- und kostengünstige Weise in axialer Richtung der Turbine 10 von Seiten eines Turbinenaustritts her zumindest teilweise in das Turbinengehäuse 12 eingeschoben und montiert werden kann. Die Verstelleinrichtung 28 stellt somit eine Kassette dar, welche durch das geschilderte Einschieben besonders einfach zu montieren ist.
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Die Verstelleinrichtung 28 ist separat vom Turbinengehäuse 12, vom Einsatzelement 24 und vom Lagergehäuse 20 ausgebildet und umfasst ein Konturelement 30, mittels welchem ein weiterer Strömungskanal im Turbinenaustritt, über welchen das Abgas vom Turbinenrad abgeführt wird, in radialer Richtung zumindest teilweise begrenzt ist.
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Die Verstelleinrichtung 28 umfasst ferner ein Verstellelement 32, welches auch als Axialschieber bezeichnet wird. Das Verstellelement 32 ist in axialer Richtung der Turbine 10 relativ zum Turbinengehäuse 12 verschiebbar. Durch Verschieben des Axialschiebers relativ zum Turbinengehäuse 12 kann ein sogenannter effektiver Strömungsquerschnitt 34 der Turbine 10, über welchen dem Turbinenrad das Abgas zugeführt wird, variabel eingestellt werden. Dabei ist der Axialschieber in einem Verstellbereich verschiebbar, welcher von einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition, die zu dem Verstellbereich gehören, begrenzt ist. In der ersten Endposition ist der effektive Strömungsquerschnitt 34 maximal freigegeben, so dass die Turbine 10 von einem besonders hohen Abgasmassenstrom durchströmt werden kann. In der zweiten Endposition, welche als Schließposition des Axialschiebers bezeichnet wird, ist der effektive Strömungsquerschnitt 34 maximal verengt. Zwischen den Endpositionen kann der Axialschieber in mehrere Offenstellungen verstellt werden, in welchen der effektive Strömungsquerschnitt 34 gegenüber der ersten Endposition fluidisch verengt, gegenüber der zweiten Endposition (Schließstellung) jedoch fluidisch freigegeben bzw. vergrößert ist.
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Die Turbine 10 umfasst ferner ein separat vom Turbinengehäuse 12, vom Einsatzelement 24, vom Lagergehäuse 20 und von der Verstelleinrichtung 28 separat ausgebildetes Leitgitter 36 mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln 38, welche relativ zum Turbinengehäuse 12 unbewegbar sind und welche in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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Die Leitschaufeln 38 dienen zum Ableiten bzw. Umlenken des Abgases, so dass das Abgas das Turbinenrad in strömungsgünstigen Anströmwinkeln anströmen und dadurch effizient antreiben kann. Wie der Figur zu entnehmen ist, ragen die Leitschaufeln 38 dabei lediglich teilweise in den Strömungskanal 22 hinein.
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In axialer Richtung der Turbine 10 schließt sich an die Leitschaufeln 38 stirnseitig eine Abdeckscheibe 40 an, welche die Leitschaufeln 38 in radialer Richtung zum Turbinenrad hin und vom Turbinenrad weg überragt.
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In der Schließstellung liegt der Axialschieber (Verstellelement 32) an einer dem Verstellelement 32 zugewandten Stirnseite 42 der Abdeckscheibe 40 an. Das Verstellelement 32 ist als massiver Schieber und somit matrizenlos ausgebildet, welcher die Leitschaufeln 38 im gesamten Verstellbereich in radialer Richtung weder überdeckt und nicht in einer Aufnahme aufnimmt. Dies führt zu einer hohen Robustheit und damit Funktionserfüllungssicherheit der Verstelleinrichtung 28 auch bei sehr hohen Temperaturen. In der Schließstellung des Verstellelements 32 strömt das zumindest im Wesentlichen gesamte, den Strömungskanal 22 durchströmende Abgas über die Leitschaufeln 38 zum Turbinenrad und wird entsprechend abgeleitet, so dass das Abgas das Turbinenrad strömungsgünstig anströmen und effizient antreiben kann.
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Die Turbine 10 weist einen Verstellraum 44 auf, aus welchem das Verstellelement 32 über eine Durchtrittsöffnung 46 heraus- und in den Strömungskanal 22 hineintreten kann. Das Konturelement 30 weist eine optionale Verdrehsicherung 48 auf, mittels welcher das Verstellelement 32 gegen eine Relativdrehung zum Konturelement 30 sowie zu dem Turbinengehäuse 12 gesichert ist.
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Zur Fixierung des Leitgitters 36 relativ zum Turbinengehäuse 12 sind drei starre Befestigungselemente in Form von Bolzen 50 vorgesehen, wobei lediglich einer der Bolzen 50 in der Figur zu erkennen ist. Die Bolzen 50 sind in Umfangsrichtung des Leitgitters 36 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet und einerseits teilweise in jeweiligen, ersten Aufnahmeöffnungen 52 des Lagergehäuses 20 und andererseits teilweise in jeweiligen, zweiten Aufnahmeöffnungen 54 des Leitgitters 36 in radialer Richtung der Turbine angeordnet. Mit anderen Worten erstrecken sich die Bolzen 50 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Turbine 10. Vorliegend sind die ersten Aufnahmeöffnungen 52 als jeweilige Durchgangsöffnungen ausgebildet, so dass die Bolzen 50 durch die ersten Aufnahmeöffnungen 52 hindurch in die zweiten Aufnahmeöffnungen 54 in radialer Richtung gesteckt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009050951 A1 [0002]