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Die
Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Turbinenrad für einen
Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine und einen Abgasturbolader
für eine Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs
15.
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Aus
der gattungsgemäßen Patentschrift
DE 39 08 285 C1 geht
eine Turbine mit einem Turbinenrad eines Abgasturboladers hervor,
die auf einer Nabe des Turbinenrades zusätzlich zu Turbinenradschaufeln
Hilfsschaufeln in von jeweils zwei Turbinenradschaufeln gebildeten
Abströmkanälen aufweist.
Ein Turbinengehäuse
der Turbine ist zweiflutig gestaltet, sodass eine radiale und/oder
halbaxiale oder axiale Gaszuführung
in Form eines radialen und/oder halbaxialen oder axialen Einströmkanals auf
das Turbinenrad erfolgt. Die in einem eintrittseitigen axialen Bereich
des Turbinenrades angeordneten Hilfsschaufeln vermeiden insbesondere
eine Strömungsablösung bei
der halbaxialen Gaszuführung,
wodurch eine Wirkungsgradverbesserung der Turbine erzielt werden
kann. Auch bei der radialen Gaszuführung bewirken die Hilfsschaufeln
insbesondere im instationären
Betrieb des Abgasturboladers eine Reduzierung der aerodynamischen
Belastungen der Turbinenradschaufeln.
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Eine
Strömung
mit geringen Abgasmassen durch eine Turbine hat bei einer für große Abgasmassen
ausgelegten Turbine einen niedrigen Wirkungsgrad zur Folge. Ausgehend
von einer bestimmten Schaufelblattgeschwindigkeit ist der Wirkungsgrad abhängig von
einem Druck, der sich an einem Turbinenradeintritt einstellt und
einem Druck, der sich an einem Turbinenradaustritt einstellt. Je
höher der Druck
am Turbinenradeintritt im Verhältnis
zum Druck am Turbinenradaustritt bei optimaler Schaufelblattgeschwindigkeit
ist, desto größer ist
der Wirkungsgrad der Turbine. Das gilt bis zu einem bestimmten Druckverhältnis, ab
dem die Turbine ihre so genannte Stopfgrenze erreicht. In einem
ungünstigen Fall
ist der Druck am Turbinenradeintritt genau so groß wie der
Druck am Turbinenradaustritt, sodass von der die Turbine durchströmenden Abgasmasse keine
Arbeit an der Turbine verrichtet wird. Der Druck am Turbinenradeintritt
ist abhängig
von einem engsten Querschnitt eines von den Turbinenradschaufel gebildeten
Gitters und kann über
die Form der Turbinenradschaufeln beeinflusst werden. Da die Hilfsschaufeln
ebenfalls auf den engsten Querschnitt des von den Turbinenradschaufeln
gebildeten Gitters Einfluss nehmen, haben die Form und die Größe der Hilfsschaufeln
auf den Druck am Turbinenradeintritt Auswirkungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit
einer radial und/oder axial und/oder halbaxial angeströmten Turbine
eines Abgasturboladers zu erhöhen.
Insbesondere sollen Drehzahlschwankungen des Abgasturboladers im
Betrieb mit der Brennkraftmaschine nahezu ausgeschlossen werden.
Insbesondere soll dies bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit
niedrigen Drehzahlen und niedrigen Lasten, in denen ein geringer
Durchsatz der Abgasmasse durch die Turbine auftritt der Fall sein.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, hierfür einen entsprechenden Abgasturbolader
für die
Brennkraftmaschine anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise
des Anspruchs 15. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Erfindungsgemäß stehen
zur Dimensionierung der Hilfsschaufeln ein Durchsatzparameter der Turbinenradschaufeln
und ein Durchsatzparameter der Hilfsschaufeln in einem Verhältnis, dessen
Wert größer als
15 ist. Die Durchsatzparameter charakterisieren einen Durchsatz
von Abgasmasse durch die Turbine anhand der thermodynamischen Parameter Durchsatz
der Abgasmasse durch die Turbine, Totaltemperatur vor der Turbine
und Totaldruck vor der Turbine. Diese thermodynamischen Parameter
werden auf einen bestimmten Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine
bezogen, wobei die Brennkraftmaschine mit der Turbine in thermodynamischer Koppelung über einen
die Turbine umfassenden Abgasturbolader steht. Der Durchsatzparameter Θ
NP der Turbinenradschaufeln ist ermittelbar
aus einer thermodynamischen Funktion:
wobei m .
T,NP den
Durchsatz der Abgasmasse durch die Turbine in einem Nennleistungspunkt
der Brennkraftmaschine, T
3,tot,NP die Totaltemperatur
der Abgasmasse vor der Turbine in dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine
und p
3,tot,NP den Totaldruck der Abgasmasse
vor der Turbine in dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine
bezeichnet. Der Durchsatzparameter Θ
UA der
Hilfsschaufeln ist ermittelbar aus der Funktion:
wobei m .
T,UA den
Durchsatz der Abgasmasse durch die Turbine in einem niedrigen Last-
und/oder niedrigen Drehzahlpunkt der Brennkraftmaschine, T
3,tot,UA die Totaltemperatur der Abgasmasse
vor der Turbine in dem niedrigen Last- und/oder niedrigen Drehzahlpunkt
der Brennkraftmaschine und p
3,tot,UA den
Totaldruck der Abgasmasse vor der Turbine in dem niedrigen Last-
und/oder niedrigen Drehzahlpunkt der Brennkraftmaschine bezeichnet.
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Mit
der erfindungsgemäßen Dimensionierung
der Hilfsschaufeln lässt
sich schon bei geringen Abgasmassen ein Druck an einer Schaufeleintrittskante
der Hilfsschaufeln im Verhältnis
zur Schaufelblattgeschwindigkeit erzielen, der eine Wirkungsgradsteigerung
der Turbine zur Folge hat. Des Weiteren können durch die Wirkungsgradsteigerung
der Turbine Drehzahlschwankungen des Abgasturboladers reduziert
werden.
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In
einer Ausgestaltung nach Anspruch 2 erfolgt die Anordnung der Hilfsschaufeln
so, dass ein Eintrittsdurchmesser der Hilfsschaufeln zu einem Eintrittsdurchmesser
der Turbinenradschaufeln in einem Verhältnis zueinander steht, das
größer als
0,6 ist und die Hilfsschaufeln zusätzlich zu einer radialen Schaufeleintrittskante
bei einem Verhältnis
des Eintrittsdurchmessers der Hilfsschaufeln zu einem Eintrittsdurchmesser
der Turbinenradschaufeln, welches kleiner als 1 ist, eine axiale
Schaufeleintrittskante aufweisen. Durch diese Positionierung der
Eintrittsdurchmesser kann eine Reduzierung einer so genannten Schnelllaufzahl
u/c0 erzielt werden, wobei mit u eine Umfangsgeschwindigkeit
des Schaufelblatts und mit c0 eine absolute
isentrope Geschwindigkeit der Strömung bezeichnet sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 erfolgt die Anordnung
der Hilfsschaufeln so, dass der Eintrittsdurchmesser der Hilfsschaufeln
zu dem Eintrittsdurchmesser der Turbinenradschaufeln in einem Verhältnis steht,
das kleiner als 0,6 ist. Durch diese Positionierung der Eintrittsdurchmesser kann
eine sehr große
Reduzierung der Schnelllaufzahl u/c0 erzielt
werden. Die Hilfsschaufeln weisen nur die axiale Schaufeleintrittskante
auf, wobei die axiale Schaufeleintrittskante einen Eintritt in einen Ringkanal
kennzeichnet, welcher eine Höhe
entsprechend einer Schaufelhöhe
der Hilfsschaufeln und eine nahezu einer Länge der Hilfsschaufeln entsprechende
Länge besitzt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 4 sind zusätzlich zu
den Hilfsschaufeln zusätzliche
Schaufeln auf der Nabe angeordnet. Ihre Anordnung auf der Nabe erfolgt
so, dass ein Eintrittsdurchmesser der zusätzlichen Schaufeln zu einem Eintrittsdurchmesser
der Turbinenradschaufeln in einem Verhältnis steht, dessen Wert 1
ist. Diese Ausgestaltung ergibt zusätzlich zu der Wirkungsgradsteigerung
der Turbine bei geringen Abgasmassen infolge der Anordnung der Hilfsschaufeln
eine Wirkungsgradsteigerung der Turbine bei mittleren und großen Abgasmassen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 erstreckt sich die
Nabe an einem Radrücken des
Turbinenrades radial von einer Drehachse des Turbinenrades bis zu
einem größten Durchmesser des
Turbinenrades.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 6 erstreckt sich die
Nabe am Radrücken
des Turbinenrades radial von der Drehachse des Turbinenrades bis
zu einem Durchmesser, der kleiner ist als der größte Durchmesser des Turbinenrades.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 erstreckt sich die
Nabe ausgehend vom Radrücken
des Turbinenrades axial über
eine bestimmte Länge
gleich bleibend mit dem größten Durchmesser,
wobei die Länge
kleiner ist als eine gesamte Länge
der Turbinenradschaufeln, die sich ausgehend axial vom Radrücken des
Turbinenrades zu einer Turbinenradaustrittskante hin erstreckt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 8 erstreckt sich die
Nabe ausgehend vom Radrücken
des Turbinenrades axial über
eine bestimmte Länge
gleich bleibend mit dem Durchmesser der kleiner ist als der größte Durchmesser
des Turbinenrades, wobei die bestimmte Länge kleiner ist als die gesamte
axiale Länge
der Turbinenradschaufeln.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist zur Bildung einer
gerichteten Strömung innerhalb
des von zwei Turbinenradschaufeln gebildeten ersten Abströmkanals
ein zweiter Abströmkanal
vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 10 ist der zweite Abströmkanal von
der Nabe, von jeweils zwei Turbinenradschaufeln und von einer parallel
zu einer Nabenkontur der Nabe verlaufenden Abströmkanaldecke begrenzt, wobei
ein Abstand der Abströmkanaldecke
von der Nabe einer radialen Schaufelhöhe der Hilfsschaufeln entspricht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 11 ist zum Halten der
Abströmkanaldecke mindestens
eine Stützrippe vorgesehen,
die eine Verbindung zwischen der Abströmkanaldecke und der Nabe herstellt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 12 sind die Turbinenradschaufeln
mit einem axialen Abstand zum Radrücken der Turbine vorgesehen,
der einer axialen Erstreckung der Hilfsschaufeln entspricht. Dadurch
lässt sich
eine, im Gegensatz zur Krümmung
der Turbinenradschaufeln stärkere
Krümmung
der Hilfsschaufeln realisieren. Diese stärkere Krümmung bewirkt einen Druckanstieg
an der Schaufeleintrittskante der Hilfsschaufel, durch deren starke
Verengung des Gitters am Austritt der Hilfsschaufeln.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 13 sind die Hilfsschaufeln
am Radrücken
des Turbinenrades vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung kann die
Abgasmasse am Turbinenrad vorbei geleitet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 14 ist ein stufenförmiger Absatz
an einem größten Durchmesser
der Hilfsschaufeln vorgesehen.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader nach
Anspruch 15 weist eine Turbine mit einem in ihrem Turbinengehäuse axial
verschiebbar gelagerten Axialschieber auf, der eine ein Leitgitter
aufnehmbare Stirnöffnung
hat. In einem zweiten Einströmkanal sind
Leitschaufeln zur Strömungsrichtung
bei Strömung
der Abgasmasse durch den zweiten Einströmkanal vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 16 kann der Axialschieber
die Leitgitterschaufeln vollständig
in seiner Stirnöffnung
aufnehmen, sodass der radiale, erste Einströmkanal vollständig geschlossen
ist und Abgas nur in den zweiten Einströmkanal strömt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 17 ist der zweite Einströmkanal mit
einem Bypass verbunden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 18 mündet der zweite Einströmkanal in
einen Sammelraum im Turbinengehäuse,
der mit dem Bypass verbunden ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 19 ist der Bypass im
Turbinengehäuse
vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 20 umgeht der Bypass
das Turbinenrad und mündet
in einen Turbinenaustrittskanal, sodass Abgas am Turbinenrad vorbei
geleitet werden kann.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
deren Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet
ist,
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2 einen
Schnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Turbine, wobei
die Turbine mit einem radialen, ein Leitgitter und einen Axialschieber
aufweisenden Einströmkanal
ausgeführt
ist und ein Turbinenrad der Turbine zusätzlich zu den Turbinenradschaufeln
Hilfsschaufeln aufweist,
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2a eine
perspektivische Darstellung des Turbinenrades der Turbine entsprechend 2,
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2b eine
perspektivische Darstellung einer Variante des Turbinenrades der
Turbine entsprechend 2, wobei die Hilfsschaufeln
im Gegensatz zu den Hilfsschaufeln in 2a eine
starke axiale Krümmung
aufweisen,
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3 einen
Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine, wobei
die Turbine mit einem radialen, ein Leitgitter und einen Axialschieber
aufweisenden Einströmkanal
und einem halbaxialen zweiten Einströmkanal ausgeführt ist
und das Turbinenrad der Turbine zusätzlich zu den Turbinenradschaufeln
Hilfsschaufeln mit einer radialen und einer axialen Schaufeleintrittskante
aufweist,
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4 einen
Schnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine, wobei
die Turbine mit einem radialen, ein Leitgitter und einen Axialschieber
aufweisenden Einströmkanal
und einem halbaxialen zweiten Einströmkanal ausgeführt ist
und das Turbinenrad der Turbine Hilfsschaufeln mit nur einer axialen
Schaufeleintrittskante aufweist,
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4a eine
perspektivische Darstellung des Turbinenrades der Turbine entsprechend 4,
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4b einen
Schnitt durch die perspektivische Darstellung des Turbinenrades
der Turbine entsprechend 4a,
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5 einen
Schnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine
entsprechend 4, wobei das Turbinenrad zu
einem ersten Abströmkanal
einen zweiten Abströmkanal zwischen
jeweils zwei Turbinenradschaufeln aufweist,
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6 einen
Schnitt durch ein fünftes
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
der Turbine entsprechend 4, wobei zusätzlich zu den Hilfsschaufeln
zusätzliche
Schaufeln auf der Nabe angeordnet sind,
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6a perspektivische
Darstellung des Turbinenrades der Turbine entsprechend 6 und
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7 einen
Schnitt durch ein sechstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine, wobei
die Turbine mit einem radialen, ein Leitgitter und einen Axialschieber
aufweisenden Einströmkanal
und einem als Sekundärflut
ausgeführten
zweiten Einströmkanal
ausgeführt
ist und das Turbinenrad der Turbine die Hilfsschaufeln an einem
Radrücken der
Turbine aufweist.
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In
den 1 bis 7 sind alle gleichen oder gleich
wirkenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In
der 1 ist eine Brennkraftmaschine 50 dargestellt,
ein Otto- oder ein Dieselmotor, die mit einem Abgasturbolader 51 verbunden
ist. Der Abgasturbolader 51 umfasst einen in einem Ansaugtrakt 54 der
Brennkraftmaschine 50 angeordneten Verdichter 52 und
eine in einem Abgasstrang 55 der Brennkraftmaschine 50 angeordnete
Turbine 1. Ein Turbinenrad 3 der Turbine 1 und
ein Verdichterrad 59 des Verdichters 52 sind über eine
Welle 53 drehfest miteinander verbunden. In der aufgeladenen
Betriebsweise der Brennkraftmaschine 50 treiben aus der
Brennkraftmaschine 50 ausgestoßene Abgase das Turbinenrad 3 an,
dessen Drehbewegung über
die Welle 53 auf das Verdichterrad 59 übertragen
wird, wodurch Umgebungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck
komprimiert wird. Zur Verbesserung eines Wirkungsgrades des Abgasturboladers 51 ist
die Turbine 1 mit einer variablen Turbinengeometrie 2 ausgestattet.
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Die
vom Verdichter 52 komprimierte Verbrennungsluft wird in
einem stromab des Verdichters 52 im Ansaugtrakt 54 angeordneten
Ladeluftkühler 56 gekühlt und
anschließend
unter Ladedruck nicht näher
dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine 50 zugeführt. Der
unter Zufuhr der Verbrennungsluft verbrannte Kraftstoff wird als
das Abgas aus den nicht näher
dargestellten Zylindern ausgeschoben und strömt über den Abgasstrang 55 in
die Turbine 1. Die Abgase treiben das Turbinenrad 3 an
und verlassen in einem entspannten Zustand die Turbine 1.
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Der
Brennkraftmaschine 50 ist eine Abgasrückführeinrichtung 57 zugeordnet,
die eine Rückführleitung 60 zwischen
dem Abgasstrang 55 stromauf der Turbine 1 und
dem Ansaugtrakt 54 stromab des Ladeluftkühlers 56 umfasst.
In der Rückführleitung 60 ist
ein einstellbares Ventil 61 zur Mengenregulierung des zurückgeführten Abgases
sowie ein Abgaskühler 62 angeordnet.
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Sämtliche
einstellbaren Aggregate, die der Brennkraftmaschine 50 zugeordnet
sind, werden in Abhängigkeit
von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 50 über eine
Regel- und Steuereinheit 58 eingestellt, so zum Beispiel
die variable Turbinengeometrie 2 und auch das Ventil 61 der
Abgasrückführeinrichtung 57.
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In
der 2 ist ein Schnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
der Turbine 1 dargestellt. Die Turbine 1 ist mit
einem radialen, ein Leitgitter 11 und einen Axialschieber 18 aufweisenden
Einströmkanal 15 ausgeführt. Das
Turbinenrad 3 der Turbine 1 weist zusätzlich zu
den Turbinenradschaufeln 6 Hilfsschaufeln 20 auf.
Die Turbine 1 umfasst ein Turbinengehäuse 4 und das in dem
Turbinengehäuse 4 drehbar
gelagerte Turbinenrad 3 mit einer Drehachse 21.
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Das
Turbinengehäuse 4 weist
einen Spiralkanal 7 auf, aus dem Abgas der in 1 dargestellten
Brennkraftmaschine 50 über
den in 2 dargestellten radialen Einströmkanal 15 auf
das Turbinenrad 3 strömt.
Das Turbinenrad 3 weist eine mit den Turbinenradschaufeln 6 bestückte Nabe 5 auf.
Die Turbinenradschaufeln 6 sind über den Umfang der Nabe 5 regelmäßig verteilt.
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Die
Turbinenradschaufeln 6 erstrecken sich zwischen einer an
den radialen Einströmkanal 15 grenzenden
Turbinenradeintrittskante 33 und einer axialen Turbinenradaustrittskante 34.
Die Turbinenradaustrittskante 34 schließt mit einer Ebene senkrecht
zur Drehachse 21 des Turbinenrades 3 einen Winkel γ ein, um
den die Turbinenradaustrittskante 34 geneigt ist. Das Turbinenrad 3 weist
der Turbinenradaustrittskante 34 gegenüberliegend seinen Radrücken 12 auf.
Die Turbinenradschaufeln 6 erstrecken sich in Richtung
der Drehachse 21 über
eine axiale Länge
L vom Radrücken 12 des
Turbinenrades 3 bis zur Turbinenaustrittskante 34.
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Das
Leitgitter 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig aufgebaut
und weist einen Träger 27 und
an dem Träger 27 befestigte
Leitgitterschaufeln 28 auf. Im Turbinengehäuse 4 ist
auf einer dem Radrücken 12 zugewandten
Seite der Träger 27 des Leitgitters 11 untergebracht.
Die Leitgitterschaufeln 28 ragen in den radialen Einströmkanal 15 hinein. Der
Axialschieber 18 weist an seiner, den Leitgitterschaufeln 28 zugewandten
Stirnseite eine ausgesparte Stirnöffnung 26 auf, in
die die Leitgitterschaufeln 28 des Leitgitters 11 aufnehmbar
sind. Durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 18 kann der
radiale Einströmkanal 15 vollständig oder
teilweise geöffnet
werden.
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Das
Turbinenrad 3 weist einen größten Durchmesser DTmax auf, der der Turbinenradeintrittskante 33 in
etwa entspricht. Dieser größte Durchmesser
DTmax entspricht in diesem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der Turbine 1 einem Eintrittsdurchmesser DE der Turbinenradschaufeln 6 des
Turbinenrades 3.
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Die
Nabe 5 weist regelmäßig zwischen
den Turbinenradschaufeln 6 angeordnete Hilfsschaufeln 20 auf.
Die Hilfsschaufeln 20 erstrecken sich zwischen einer radialen
Schaufeleintrittskante 38 und einer axialen Schaufelauntrittskante 39.
Die radiale Schaufeleintrittskante 38 der Hilfsschaufeln 20 stimmt
mit der radialen Turbinenradeintrittskante 33 überein.
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Die
radiale Schaufeleintrittskante 38 der Hilfsschaufeln 20 ist
am größten Durchmesser
DTmax des Turbinenrades 3 ausgebildet,
sodass ein Eintrittsdurchmesser DEW der Hilfsschaufeln 20 dem Eintrittsdurchmesser
DE der Turbinenradschaufeln 6 entspricht. Das Verhältnis DEW/DE
ist 1.
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Bei
einem geringen Durchsatz von Abgas mit dem Massenstrom m . durch die
Turbine 1, wie zum Beispiel bei niedrigen Lastpunkten der
in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 50,
kann ein Druck an der in 2 dargestellten Turbinenradeintrittskante 33 nahezu
einem Druck an der Turbinenradaustrittskante 34 entsprechen.
Dadurch ist ein zur Arbeitsverrichtung am Turbinenrad 3 notweniges
Enthalpiegefälle
des Abgases zwischen den beiden Turbinenradkanten 33 und 34 nahezu
gleich Null. Das Turbinenrad 3 wäre dadurch am Ventilieren und
der Turbinenwirkungsgrad wäre
entsprechend niedrig beziehungsweise sogar negativ, wenn die Turbine 1 als Gebläse arbeiten
würde.
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Die
Hilfsschaufeln
20 sind erfindungsgemäß daher so dimensioniert, dass
ein Durchsatzparameter Θ
NP der Turbinenradschaufeln
6 und
ein Durchsatzparameter Θ
UA der Hilfsschaufeln
20 miteinander in
einem Verhältnis Θ
NP/Θ
UA stehen, das größer 15 ist. Der Durchsatzparameter Θ
NP der Turbinenradschaufeln
6 ist
ermittelbar aus der Funktion:
wobei m .
T,NP einen
Durchsatz der Abgasmasse durch die Turbine
1 in einem Nennleistungspunkt
der in
1 dargestellten Brennkraftmaschine
50,
T
3,tot,NP eine Totaltemperatur der Abgasmasse
vor der Turbine
1 in dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine
50 und
p
3,tot,NP einen Totaldruck vor der Turbine
1 in
dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine
50 bezeichnet.
Der Durchsatzparameter Θ
UA der Hilfsschaufeln
20 ist ermittelbar
aus der Funktion:
wobei m .
T,UA einen
Durchsatz der Abgasmasse durch die Turbine
1 in einem niedrigen
Last – und/oder niedrigen
Drehzahlpunkt der Brennkraftmaschine
50, T
3,tot,UA eine
Totaltemperatur der Abgasmasse vor der Turbine
1 in dem
niedrigen Last- und/oder niedrigen Drehzahlpunkt der Brennkraftmaschine
50 und p
3,tot,UA einen Totaldruck vor der Turbine
1 in
dem niedrigen Last- und/oder
niedrigen Drehzahlpunkt der Brennkraftmaschine
50 bezeichnet.
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Die
Durchsatzparameter ΘNP und ΘUA kennzeichnen so genannte kritische Durchsatzparameter, bei
denen sich an der in 2 dargestellten Turbinenradaustrittskante 34 der
Turbinenradschaufeln 6 beziehungsweise an der Schaufelaustrittskante 39 der
Hilfsschaufeln 20 Schallgeschwindigkeit einstellt.
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Die
Hilfsschaufeln 20 bewirken eine Erhöhung des Druckes an der radialen
Schaufeleintrittskante 38. Damit ist der Druck an der radialen
Schaufeleintrittskante 38 größer als der Druck an der Schaufelaustrittskante 39.
Dadurch ist das zur Arbeitsverrichtung am Turbinenrad 3 notwenige
Enthalpiegefälle
des Abgases zwischen den beiden Schaufelkanten 38 und 39 nicht
mehr Null. Das Turbinenrad 3 kann seine Drehzahl entsprechend
dem Abgasmassenstrom im niedrigen Teillastbereich beibehalten, die
großen
Drehzahlschwankungen sind reduziert und der Turbinenwirkungsgrad
steigt.
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Die 2a zeigt
zur verbesserten Anschaulichkeit eine perspektivische Darstellung
des Turbinenrades 3 der Turbine 1 entsprechend 2.
Die Hilfsschaufeln 20 weisen eine axiale Krümmung RZ auf, die einer axialen Krümmung R
der Turbinenradschaufeln 6 entspricht.
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Die 2b zeigt
eine perspektivische Darstellung des Turbinenrades 3 der
Turbine 1 entsprechend 2, wobei
die Hilfsschaufeln 20 eine im Unterschied zur Krümmung R
der Turbinenradschaufeln 6 stärkere axiale Krümmung RZ aufweisen. Diese stärkere Krümmung bewirkt einen weiteren
Druckaufbau an der radialen Schaufeleintrittskante 38.
Bedingt durch die stärkere
Krümmung
der Hilfsschaufeln 20 weisen die Turbinenradschaufeln 6 einen
Abstand AS von dem Radrücken 12 des
Turbinenrades 3 auf, der einer axialen Erstreckung EZ der
Hilfsschaufeln 20 entspricht. Die axiale Erstreckung EZ der
Hilfsschaufeln 20 sollte kleiner als 10% der axialen Erstreckung
L der Turbinenradschaufeln 6 sein oder maximal 10% der
axialen Erstreckung L der Turbinenradschaufeln 6 entsprechen.
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In 3 ist
ein Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine 1 dargestellt.
Die Turbine 1 ist mit dem radialen, das Leitgitter 11 und
den Axialschieber 18 aufweisenden Einströmkanal 15 und
mit einem halbaxialen zweiten Einströmkanal 16 ausgeführt. Das
Leitgitter 11 ist dreiteilig aufgebaut und weist einen
Haltesteg 14, einen den Haltesteg 14 tragenden
Träger 27a und
die an dem Träger 27a befestigten
Leitgitterschaufeln 28 auf. Im halbaxialen zweiten Einströmkanal 16 ist
der Träger 27a des
Leitgitters 11 mit dem Haltesteg 14 vorgesehen,
wobei der Haltesteg 14 in Form von Leitschaufeln 13 ausgeführt ist.
Zum Halten des Leitgitters 11 ist der Haltesteg 14 mit
einer den zweiten Einströmkanal 16 begrenzenden
Gehäusewandung 8 fest
verbunden.
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Das
Turbinenrad 3 der Turbine 1 weist zusätzlich zu
den Turbinenradschaufeln 6 die Hilfsschaufeln 20 auf.
Die Hilfsschaufeln 20 besitzen neben der radialen Schaufeleintrittskante 38 eine
axiale Schaufeleintrittskante 42 in einem Bereich des halbaxialen
Einströmkanals 16.
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Der
Eintrittsdurchmesser DEW der Hilfsschaufeln 20 bezogen
auf die axiale Schaufeleintrittskante 42 ist gegenüber dem
Eintrittsdurchmesser DE der Turbinenradschaufeln 6 reduziert.
Das Verhältnis
DEW/DE beträgt
in diesem Ausführungsbeispiel
0,9. Die Reduzierung des Eintrittsdurchmessers DEW der Hilfsschaufeln 20 auf
einen Wert der kleiner ist als der Eintrittsdurchmesser DE der Turbinenradschaufeln 6 führt zu einer
Reduzierung einer Schnelllaufzahl u/c0.
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Die
Schnelllaufzahl u/c0 stellt eine charakteristische
Kenngröße der Strömung in
der Turbine 1 dar. Sie setzt sich zusammen aus einer Umfangsgeschwindigkeit
u eines Schaufelblattes der Turbinenradschaufeln 6 und
einer theoretischen isentropen Austrittsgeschwindigkeit c0 der Strömung
der Turbine 1. Eine Reduzierung der Schnelllaufzahl u/c0 unter den Wert 1 bedeutet eine Reduzierung
der Umfangsgeschwindigkeit u, wodurch ein Ventilationsbetrieb der
Turbine 1 bei geschlossenem radialem Einströmkanal 15 vermeidbar
ist. Im Ventilationsbetrieb der Turbine 1 wird Energie
konsumiert.
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Die
Nabe 5 erstreckt sich am Radrücken 12 des Turbinerades 3 radial
von der Drehachse 21 bis zu einem Durchmesser DT des Turbinenrades 3,
der kleiner ist als der größte Durchmesser
DTmax des Turbinenrades 3. Des
Weiteren erstreckt sich die Nabe 5 axial über eine
Länge LN,
die der axialen Erstreckung EZ der Hilfsschaufeln 20 entspricht,
wobei die axiale Länge
LN kleiner ist als die axiale Länge
L der Turbinenradschaufeln 6.
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In 4 ist
ein Schnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine 1 dargestellt.
Die Turbine 1 ist mit dem radialen, das Leitgitter 11 und
den Axialschieber 18 aufweisenden Einströmkanal 15 und
dem halbaxialen zweiten Einströmkanal 16 ausgeführt. Im
halbaxialen zweiten Einströmkanal 16 ist
der Träger 27a des
Leitgitters 11 mit den Leitgitterschaufeln 28 am
Haltesteg 14 ausgebildet. Die Leitschaufeln 13 sind
am Ende des halbaxialen zweiten Einströmkanals 16 angeordnet, nahe
der axialen Schaufeleintrittskante 42 der Hilfsschaufeln 20.
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Der
tropfenförmig
ausgebildete Träger 27a umgibt
teilweise radial und axial das Turbinenrad 3. Das Leitgitter 11 ist
dreiteilig aufgebaut und weist den Haltesteg 14, den den
Haltesteg 14 tragenden Träger 27a und die an
dem Träger 27a befestigten
Leitgitterschaufeln 28 auf. Der Träger 27a stellt eine
ringförmige
Trennwand zwischen dem radialen ersten Einströmkanal 15 und dem
halbaxialen zweiten Einströmkanal 16 dar.
Zum Halten des Leitgitters 11 ist der Haltesteg 14 mit
einer den zweiten Einströmkanal 16 begrenzenden
Gehäusewandung 8 fest
verbunden.
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Das
Verhältnis
des Eintrittsdurchmessers DEW der Hilfsschaufeln 20 zum
Eintrittsdurchmesser DE der Turbinenradschaufeln 6 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
0,5. Aufgrund der großen
Absenkung des Eintrittsdurchmessers DEW der Hilfsschaufeln 20 wird
bei geschlossenem radialen Einströmkanals 15 aufgrund
der starken Absenkung der Schnelllaufzahl u/c0 ein
Ventilationsbetrieb der Turbine 1 vermieden.
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Die
Anordnung der Hilfsschaufeln 20 erfolgt im Turbinenrad 3 so,
dass ein ringförmiger
Durchbruch im Turbinenrad 3 in Form eines Ringkanals 37 in
einem am Radrücken 12 vorgesehenen Abschnitt der
Nabe 5 vorliegt. Die axiale Schaufeleintrittskante 42 kennzeichnet
dabei einen Eintritt 36 in den Ringkanal 37 und
die axiale Schaufelaustrittskante 39 den Austritt aus dem
Ringkanal 37.
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Der
Ringkanal 37 weist eine radiale Höhe HRK auf,
die einer Schaufelhöhe
HSZ der Hilfsschaufeln 20 entspricht.
Eine axiale Länge
LRK des Ringkanals 37 entspricht
ca. einer axialen Länge
LSZ der Hilfsschaufeln 20. Die
Hilfsschaufeln 20 besitzen ausschließlich eine halbaxiale Schaufeleintrittskante 42.
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Die
Nabe 5 erstreckt sich an dem Radrücken 12 des Turbinenrades 3 radial
von der Drehachse 21 des Turbinenrades 3 bis zur
Turbinenradeintrittskante 33, die den größten Durchmesser
DTmax des Turbinenrades 3 kennzeichnet.
In axialer Richtung erstreckt sich die Nabe 5 mit einer
axialen Länge
LN radial gleich bleibend mit dem größten Durchmesser DTmax ausgehend vom Radrücken 12 des Turbinenrades 3 um
danach auf einen Durchmesser DN der Nabe 5 an der Turbinenradaustrittskante 34 abzufallen.
Die axiale Länge
LN der Nabe 5 ist kleiner als die axiale Länge L der
Turbinenradschaufeln 6.
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Die
teilweise radial gleich bleibende Erstreckung der Nabe 5 über die
axiale Länge
LN ergibt eine Zunahme einer Masse des Turbinenrades 3 und damit
ein vergrößertes Massenträgheitsmoment
des Turbinenrades 3. Die Erhöhung des Massenträgheitsmomentes
führt zu
einer weiteren Reduzierung der Drehzahlschwankungen der Turbine 1 bei
geringen Abgasmassen.
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In 4a ist
zur Verbesserung der Anschaulichkeit eine perspektivische Ansicht
des Turbinenrades 3 der Turbine 1 entsprechend 4 dargestellt.
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In 4b ist
zur weiteren Verbesserung der Anschaulichkeit ein Schnitt durch
die perspektivische Darstellung des Turbinenrades 3 der
Turbine 1 entsprechend 4a dargestellt.
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Die 5 zeigt
einen Schnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine 1 entsprechend 4.
Das Turbinenrad 4 weist innerhalb eines von zwei Turbinenradschaufeln 6 gebildeten
ersten Abströmkanals 30 einen
zweiten Abströmkanal 31 auf.
Der zweite Abströmkanal 31 wird begrenzt
von der Nabe 5, von jeweils zwei Turbinenradschaufeln 6 und
einer parallel zu einer Nabenkontur 45 der Nabe 5 in
einem Abstand S verlaufenden Abströmkanaldecke 40. Zum
Halten der Abströmkanaldecke 40 ist
mindestens eine Stützrippe 41 vorgesehen,
die eine Verbindung zwischen der Abströmkanaldecke 40 und
der Nabe 5 herstellt.
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Der
parallel zur Nabenkontur 45 verlaufende Abstand S der Abströmkanaldecke 40 entspricht
der Schaufelhöhe
HSZ der Hilfsschaufeln 20. Durch
die Abgrenzung des zweiten Abströmkanals 31 gegen den
von den Turbinenradschaufeln 6 gebildeten ersten Abströmkanal 30 wird
eine Störung
der Strömung innerhalb
des zweiten Abströmkanals 31 verhindert, d.h.
es wird eine gerichtete Strömung
gebildet. Dies führt
zu einer Wirkungsgradverbesserung der Turbine 1.
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In 6 ist
ein Schnitt durch ein fünftes
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
der Turbine 1 dargestellt, bei welchem der Aufbau der Turbine 1 dem
Aufbau der in 3 dargestellten Turbine 1 entspricht.
Der Aufbau des in 4 dargestellten Turbinenrades 3 entspricht
weitestgehend dem Aufbau des in 3 dargestellten
Turbinenrades 3. In diesem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind zusätzlich
zu den Hilfsschaufeln 20 zusätzliche Schaufeln 22 auf
der Nabe 5 angeordnet. Die zusätzlichen Schaufeln 22 weisen
einen dem Eintrittsdurchmesser DE der Turbinenradschaufeln 6 entsprechenden
Eintrittsdurchmesser DEZ auf. Durch die Anordnung der Hilfsschaufeln 20 in
einem unteren, durchmesserkleineren Bereich der Nabe 5 und
durch die Anordnung der zusätzlichen
Schaufeln 22 im oberen, durchmessergrößeren Bereich der Nabe 5 kann
neben der starken Absenkung der Schnelllaufzahl u/c0 bei
einem Durchsatz geringer Abgasmassen durch die Turbine 1 eine
weitere Wirkungsgradverbesserung bei einem Durchsatz höherer Abgasmassen
erreicht werden.
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Die 6a zeigt
zur weiteren Verdeutlichung eine perspektivische Darstellung des
Turbinenrades 3 der Turbine 1 entsprechend 6.
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Eine
weitere Maßnahme
um auf das Verhalten der Turbine 1 bei geringen Abgasmassen
einzuwirken, ist eine nicht dargestellte Ausführung des Leitgitters 11 und
des Axialschiebers 18, so, dass kurze Zwischenschaufeln
zwischen den Leitgitterschaufeln 28 am Träger 27 regelmäßig verteilt
zusätzlich
vorgesehen sind. Eine Länge
dieser Zwischenschaufeln entspricht mindestens einer axialen Länge der
Hilfsschaufeln 20 oder der zusätzlichen Schaufeln 22.
Durch die Anordnung der Zwischenschaufeln im Leitgitter 11 kann
eine weitere Strömungsbeeinflussung
der Abgasmassen erfolgen, wodurch schließlich eine weitere Wirkungsgradverbesserung
möglich
ist. Die Zwischenschaufeln können
auch im radialen Einströmkanal 15 als
ein zweites Gitter dem Leitgitter 11 stromab angeordnet
sein.
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In 7 ist
ein Schnitt durch ein sechstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Turbine 1 dargestellt.
Die Turbine 1 ist mit dem radialen, das Leitgitter 11 und
den Axialschieber 18 aufweisenden ersten Einströmkanal 15 und
einem als Sekundärflut ausgebildeten
zweiten Einströmkanal 16 ausgeführt. Die
Hilfsschaufeln 20 sind entgegen der bisherigen Ausführung auf
der Nabe 5 am Radrücken 12 des Turbinenrades 3 ausgebildet
beziehungsweise stehen vom Radrücken 12 radial
ab. Im zweiten Einströmkanal 16 ist
der Haltesteg 14 des Trägers 27 des
Leitgitters 11 untergebracht. Stromab des Haltestegs 14 weist
der zweite Einströmkanal 16 die Leitschaufeln 13 zur
Strömungsbeeinflussung
auf. Stromab der Leitschaufeln 13 sind die Hilfsschaufeln 20 im
zweiten Einströmkanal 16 vorgesehen.
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Der
zweite Einströmkanal 16 mündet stromab
der Hilfsschaufeln 20 in einen Sammelraum 25 und
ist über
den Sammelraum 25 mit einem im Turbinengehäuse 4 vorgesehenen
Bypass 23 verbunden. Der Bypass 23 verbindet den
Sammelraum 25 mit einem Turbinenaustrittskanal 9 und
stellt eine Umlenkung der Abgasmasse am Turbinenrad 3 vorbei
dar. An einem größten Durchmesser
DZmax der Hilfsschaufeln 20 ist
ein stufenförmiger
Absatz 24 zur reibungsfreien Aufnahme des Trägers 27 vorgesehen.