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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 1 905 979 A2 ist eine Verbindunganordnung eines Abgasturboladers bekannt, aufweisend ein Turbinengehäuse und ein Lagergehäuse. Das Turbinengehäuse ist mit dem Lagergehäuse gegeneinander nach außen dichtend verbunden, wobei ein Hitzeschild zwischen den beiden Gehäusen vorgesehen ist, welcher das Lagergehäuse gegenüber dem Turbinengehäuse gegenüber insbesondere Wärmeeinstrahlung begrenzt. Der Hitzeschild ist an seinem Außenumfang zwischen den beiden Gehäusen verklemmt und weist zur Aufnahme einer Welle des Abgasturboladers einen hülsenförmigen Abschnitt auf, der in ein Turbinenrad des Abgasturboladers, welches drehfest mit der Welle verbunden ist, hineinragend ausgeführt ist.
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Der Patentschrift
US 4,786,238 A ist ebenfalls eine Verbindunganordnung zu entnehmen, mit einem Hitzeschild, welcher zwischen einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers und einem Lagergehäuse des Abgasturboladers angeordnet ist. Der Hitzeschild ist ebenfalls an seinem Außenumfang zwischen den beiden Gehäusen verklemmt.
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Eine solche Verbindungsanordnung ist somit bereits bekannt und in 1 dargestellt.
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1 zeigt eine Verbindungsanordnung 10 eines Turbinengehäuses 14 mit einem Lagergehäuse 12 eines Abgasturboladers. Dabei ist das Turbinengehäuse 14 auf dem Lagergehäuse 12 mittels eines Zentrierbundes 21 zentriert.
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Beim Verbinden der beiden Gehäuse mittels einer V-Bandschelle 16 entsteht naturgemäß eine Verbindungsfuge 19, die einer Abdichtung bedarf.
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Die Abdichtung der Verbindungsfuge 19 ist derart realisiert, dass das Turbinengehäuse 14 und das Lagergehäuse 12 mit einem Hitzeschild 18 eine Dichtungsanordnung 20 bilden, wodurch ein Austreten eines eine nicht dargestellte Turbine im Turbinengehäuse 14 antreibenden Abgases aus dem Abgasturbolader hinaus in die Umwelt verhindert wird.
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In 1 ist diese Dichtungsanordnung zwischen Turbinengehäuse 14, Lagergehäuse 12 und Hitzeschild 18 mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Durch die dargestellte Dichtungsanordnung 20 wird auch eine Positionierung des Hitzeschilds 18 durch ein axiales und radiales Anliegen am Turbinengehäuse 14 realisiert.
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Darüber hinaus hat der Hitzeschild 18 den Zweck, einen übermäßigen Hitzeeintrag vom das Turbinengehäuse 14 durchströmende heiße Abgas in das Lagergehäuse 12 zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Lagergehäuse 12 aus dem Werkstoff Grauguss und das Turbinengehäuse 14 aus dem Werkstoff Stahlguss hergestellt sind, weist das Turbinengehäuse einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Hieraus ergibt sich der Nachteil des in 1 dargestellten Stands der Technik, dass aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der beiden Gehäuse stattfindet.
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Aufgrund der Positionierung des Hitzeschilds 18 mehr in axialer Richtung zum Turbinengehäuse 14 hin, wodurch die Dichtungsanordnung 20 nicht mittig zur V-Bandschelle 16 liegt, kann bei extremen Temperaturunterschieden in Folge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Gehäuse ein Spalt, den die V-Bandschelle unzureichend oder gar nicht ausgleichen kann. Die Folge kann eine Gasleckage sein, und Abgase können aus dem Abgasturbolader in die Umwelt austreten.
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Des Weiteren werden die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Gehäuse dadurch verstärkt, dass sich aufgrund der ungünstigen Positionierung des Hitzeschilds 18 das Turbinengehäuse 14 stärker aufheizt als das Lagergehäuse 12.
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Weiterhin kann es aufgrund dieses höheren Hitzeeintrags zu einer Wölbung der in der Dichtungsanordnung 20 in Kontakt stehenden Flächen des Hitzeschilds 18 kommen, was in einer Gasleckage resultiert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine Gasleckage vermieden und gleichzeitig eine Zentrierung der beiden Gehäuse miteinander möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine solche erfindungsgemäße Verbindungsanordnung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse eines Abgasturboladers, bei welcher das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse miteinander zentriert und im Bereich einer Verbindungsfuge über eine Dichtungsanordnung miteinander verbunden sind, und bei welcher zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse ein Hitzeschild vorgesehen ist, sieht vor, dass in dem Hitzeschild wenigstens eine Aussparung für ein Zentriermittel vorgesehen ist, durch welches das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse unmittelbar miteinander zentriert sind.
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Eine derartige Anordnung ermöglicht eine vorteilhafte Positionierung des Hitzeschildes und der Dichtungsanordnung, wodurch eine Gasleckage verhindert wird. Somit kann kein das Turbinengehäuse durchströmendes und eine Turbine des Abgasturboladers antreibendes Abgas aus dem Abgasturbolader hinaus in die Umwelt durch eine Abgasnachbehandlungsanlage ungereinigt ausströmen. Das Abgas verbleibt im Abgasturbolader und wird durch eine entsprechende Abgasverrohrung zu der Abgasnachbehandlungsanlage weitergeleitet, wo es gereinigt wird und erst dann über einen Auspuff in die Umwelt ausströmt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist es weiterhin möglich, das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse miteinander zu zentrieren. Dadurch ist eine bessere radiale Ausrichtung der Gehäuse zueinander gewährleistet, wodurch eine Gefahr eines Anlaufens des Turbinenrads des Abgasturboladers reduziert wird.
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Bevorzugterweise sind in dem Hitzeschild mehrere Aussparungen für ein Zentriermittel vorgesehen. Ebenfalls ist aber denkbar, dass nur eine Aussparung vorgesehen ist, die dann allerdings sich über einen relativ großen Abschnitt des Umfangs des Hitzeschilds erstrecken müsste, um eine hinreichende Zentrierung durch das Zentriermittel zu ermöglichen.
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Bei dem Zentriermittel handelt es sich bevorzugterweise um einen Zentrierbund, wobei erfindungsgemäß das Lagergehäuse und das Turbinengehäuse mittels einer Außenmantelfläche des Lagergehäuses und einer korrespondierenden Innenmantelfläche des Turbinengehäuses miteinander zentriert sind. Alternative Zentriermittel und/oder eine Umkehrung des beschriebenen Innenmantelflächen- zu Außenmantelflächenbezugs ist nichtsdestoweniger denkbar.
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Für eine sehr gute Zentrierung ist es dementsprechend anzustreben, dass möglichst große Teile der Außenmantelfläche und der Innenmantelfläche in Kontakt zueinander stehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Verbindungsanordnung ist daher die wenigstens eine Aussparung des Hitzeschildes als zumindest teilweise umlaufender Spalt in der radialen Mantelfläche des Hitzeschildes ausgebildet. Wie schon erwähnt, sollte dieser Spalt um einen möglichst großen Abschnitt des Umfangs des Hitzeschilds umlaufen, um eine sehr gute Zentrierung zu erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Hitzeschild mehrere Aussparungen in Form jeweils eines teilweise umlaufenden Spalts in seiner radialen Mantelfläche auf. Dies ist insofern vorteilbehaftet, als dass einerseits eine sehr gute Zentrierung der Gehäuse durch diese Aussparungen ermöglicht ist, andererseits weist der Hitzeschild eine weiterhin gute Stabilität auf.
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Die erwähnte Stabilität des Hitzeschildes bei gleichzeitiger sehr guter Gestaltung einer Dichtungsanordnung mit einer sehr guten Dichtwirkung zur Verhinderung einer Gasleckage ist bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung derart realisiert, dass der Hitzeschild zumindest einen, in einer vorteilhaften Ausführungsform aber mehrere Verbindungsstege aufweist, die einen Grundkörper des Hitzeschilds, der einen zylinderartigen Teil des Hitzeschildes darstellt, mit einem krempenförmigen Teil des Hitzeschilds verbindet, wobei der krempenförmige Teil mit korrespondierenden Flächen des Turbinengehäuses bzw. des Lagergehäuses die Dichtungsanordnung bildet.
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Durch diese Ausgestaltungsform ist einerseits eine sehr gute Abschirmung der Hitze vom Lagergehäuse durch der Hitzeschild erreicht, andererseits ist eine sehr gute Dichtwirkung erzielt.
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Um diese Effekte der Abdichtung und der Abschirmung weiter positiv zu beeinflussen, ist eine definierte Positionierung und/oder Zentrierung des Hitzeschilds im Turbinengehäuse oder im Lagergehäuse von Nöten. Dies ist erfindungsgemäß durch einen Absatz des jeweiligen Gehäuses realisiert, mittels welchem der Hitzeschild zentriert ist.
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Durch die beschriebenen Positionier- und Zentriermöglichkeiten der einzelnen Bauteile ist neben der erwähnten vorteilhaften radialen auch eine äußerst vorteilhafte axiale Ausrichtung der Bauteile, und insbesondere des Turbinengehäuses und des Lagergehäuses realisiert, wodurch die Gefahr des Anlaufens des Turbinenrads weiter gesenkt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Dichtungsanordnung aus dem beschriebenen krempenförmigen Teil des Hitzeschilds und aus korrespondierenden Flächen von Turbinengehäuse und Lagergehäuse innerhalb, insbesondere mittig, eines Bereichs angeordnet, der durch eine axiale Ausdehnung einer Verbindungsvorrichtung zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse in Richtung des Lagergehäuses einerseits und in Richtung des Turbinengehäuses andererseits definiert ist.
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Diese Verbindungsvorrichtung ist beispielsweise als eine Schelle und insbesondere als eine V-Bandschelle ausgebildet. Ist nun die beschriebene Dichtungsanordnung wie beschrieben positioniert, ergibt sich daraus der Vorteil, dass eine Gasleckage und damit Austreten von ungereinigtem Abgas in die Umwelt vermieden wird.
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Der Grund einer derartigen Gasleckage liegt darin, dass das Lagergehäuse aus einem anderen Werkstoff gefertigt ist als das Turbinengehäuse. Besteht das Lagergehäuse beispielsweise aus Grauguss, und besteht das Turbinengehäuse aus Stahlguss, so weist das Turbinengehäuse einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies hat zur Folge, dass sich beide Gehäuse unterschiedlich stark ausdehnen, wodurch eine Verbindungsfuge zwischen den beiden verbundenen Gehäusen, die eigentlich durch die Verbindungsvorrichtung, d. h. die V-Bandschelle, gering gehalten werden soll, größer wird. Dies wird verstärkt durch eine unterschiedlich starke Erwärmung der Gehäuse.
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Aufgrund der beschriebenen, bevorzugterweise mittigen Positionierung der Dichtungsanordnung bezüglich der Verbindungsvorrichtung werden unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Gehäuse vermieden, wodurch eine Gasleckage und dadurch eine unerwünschte Verschmutzung der Umwelt verhindert wird. Gleichzeitig ist aber dennoch wie beschrieben eine Zentrierung des Lagergehäuses und des Turbinengehäuses miteinander durch Aussparungen im Hitzeschild ermöglicht.
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Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Positionierung der Dichtungsanordnung eine Hitzeabschirmung des Hitzeschildes vom Lagergehäuse gegenüber dem von dem heißen Abgas durchströmten Turbinengehäuse deutlich verbessert, wodurch es erst gar nicht zu großen unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Gehäuse kommt, wie es beispielsweise bei herkömmlichen Verbindungsanordnungen der Fall ist.
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Nichtsdestoweniger ist eine Gefahr eines Wölbens der korrespondierenden Dichtflächen in der Dichtungsanordnung, was eine Gasleckage zur Folge hätte, deutlich herabgesetzt.
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Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung beschränkt sich dabei nicht auf einflutige Turbinengehäuse, sondern ist durchaus auch bei mehrflutigen Turbinengehäusen einsetzbar. Weiterhin ist der Einsatz auch bei Gehäuseteilen aus anderen Werkstoffen als den genannten möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Lagergehäuse Freimachungen auf, die Platz für den zumindest einen Verbindungssteg des Hitzeschilds bieten. Dadurch ist die Positionierung des Hitzeschilds weiter positiv beeinflusst.
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Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung ist, dass die Kosten im Vergleich zu einer konventionellen Verbindungsanordnung wenig bis nicht negativ beeinflusst werden, denn so sind alle vorteilhaften Ausführungsformen ohne kostenintensive und/oder zusätzliche Herstellungsschritte realisierbar. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung auch beispielsweise bei mehrteiligen Gehäusen, insbesondere Lagergehäusen, Verwendung finden kann.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung in einem Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine erweist sich als äußerst vorteilhaft, denn so lassen sich unerwünschte Emissionen ungereinigten Abgases und damit eine zusätzliche Verschmutzung der Umwelt, beispielsweise durch eine erhöhte NOx-Emission, vermeiden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. 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. Die Figuren zeigen in:
- 1 eine perspektivische Ansicht und eine Längsschnittansicht einer Verbindungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine perspektivische Ansicht und eine Längsschnittansicht einer Verbindungsanordnung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse und
- 3 eine perspektivische Ansicht und eine andere Längsschnittansicht der Verbindungsanordnung aus 2.
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Während 1 eine Verbindungsanordnung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik zeigt, bei der ein Hitzeschild und damit eine Dichtungsanordnung aus dem Lagergehäuse, dem Turbinengehäuse und dem Hitzeschild in axialer Richtung zum Turbinengehäuse hin und damit außerhalb einer Verbindungsvorrichtung positioniert ist, zeigt 2 eine Verbindungsanordnung eines Turbinengehäuses mit einem Lagergehäuse eines Abgasturboladers, bei dem besagte Dichtungsanordnung mittig zu einem Verbindungselement und damit zu den Gehäusen positioniert ist. 3 zeigt die Verbindungsanordnung aus 2, wobei der Längsschnitt in einer anderen Ebene der Verbindungsanordnung liegt, wodurch weitere Aspekte der Verbindungsanordnung aus 2 dargestellt werden.
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2 zeigt eine Verbindungsanordnung 30, bei der ein Lagergehäuse 12' mit einem Turbinengehäuse 14' mittels einer Verbindungsvorrichtung in Form einer V-Bandschelle 16' miteinander verbunden sind.
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Zwischen dem Lagergehäuse 12' und dem Turbinengehäuse 14' ist ein Hitzeschild 18' angeordnet, das zum einen den Zweck erfüllt, eine große Hitze in Folge eines heißen, das Turbinengehäuse 14' durchströmenden und ein nicht dargestelltes Turbinenrad antreibenden Abgases von dem Lagergehäuse 12' abzuschirmen.
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Diese Aufgabe wird größtenteils durch einen zylinderförmigen Hauptteil 36 des Hitzeschilds 18' realisiert.
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Auf der anderen Seite bildet der Hitzeschild 18' über einen krempenförmigen Teil 38 mit dem Lagergehäuse 12' und dem Turbinengehäuse 14' eine Dichtungsanordnung 20', die eine Verbindungsfuge 19' in Folge des Verbindens des Lagergehäuses 12' mit dem Turbinengehäuse 14' abzudichten, damit das das Turbinengehäuse 14' durchströmende ungereinigte Abgas nicht in die Umwelt austritt, sondern über eine entsprechende Abgasverrohrung zu einer Abgasnachbehandlungsanlage in einem Abgastrakt geführt und dort gereinigt wird.
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Aufgrund der in 2 gezeigten Ausgestaltung des Hitzeschilds 18' ist eine Positionierung der Dichtungsanordnung 20' derart möglich, dass die Dichtungsanordnung 20' mittig in einem Bereich angeordnet ist, der durch eine axiale Ausdehnung der V-Bandschelle 16' in Richtung des Lagergehäuses 14' einerseits und in Richtung des Turbinengehäuses 12' andererseits definiert ist. Dieser beschriebene Bereich ist durch die Linien 40 und 41 verdeutlicht.
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Durch die derartige Positionierung der Dichtungsanordnung 20' ist eine Dichtwirkung dieser Dichtungsanordnung 20' aus korrespondierenden Dichtflächen des Hitzeschilds 18', des Lagergehäuses 12' und des Turbinengehäuses 14' deutlich erhöht, da unterschiedliche Wärmedehnungen des Lagergehäuses 12' und des Turbinengehäuses 14' aufgrund unterschiedlicher Werkstoffe nicht auftreten können.
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Darüber hinaus ist auch die Hitzeabschirmung des Hitzeschilds 18 durch eine Vergrößerung des zylindrischen Teils 36 des Hitzeschilds 18' verbessert.
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Zudem ist durch die in 2 gezeigte Verbindungsanordnung 30 die radiale Ausrichtung der Gehäuse optimiert.
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Eine Zentrierung des Lagergehäuses 12' mit dem Turbinengehäuse 14' erfolgt bei der Verbindungsanordnung 30 aus 2 über eine Zentrierfläche 32 des Lagergehäuses 12' mit einer in dieser Darstellung nicht dargestellten korrespondierenden Zentrierfläche des Turbinengehäuses. Wie zu sehen ist, weist der Hitzeschild 18' Durchbrüche 42 in Form je eines teilweise umlaufenden Spalts in seiner radialen Mantelfläche, also dem zylinderförmigen Teil 36, auf.
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Zur Verbindung des krempenförmigen Teils 38 mit dem zylinderförmigen Teil 36 des Hitzeschilds 18' weist der Hitzeschild Verbindungsstege 34 auf, die jeweils durch eine korrespondierende Freimachung des Lagergehäuses führen.
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Eine Zentrierung des Hitzeschilds 18' ist mittels eines Absatzes 37 des Turbinengehäuses 14' realisiert. Somit sind die genannten Bauteile nicht nur optimal axial, sondern auch radial festgelegt. Alternativ kann die radiale Festlegung des Hitzeschilds 18' auch anderweitig, beispielsweise durch einen entsprechenden Absatz bzw. Bund nicht im Turbinengehäuse 14', sondern im Lagergehäuse 12', geschehen.
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Die Zentrierung der Gehäuse ist in 2 nicht dargestellt, da der dargestellte Schnitt durch einen Verbindungssteg 34 führt.
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Die Zentrierung des Lagergehäuses 12' mit dem Turbinengehäuse 14' ist in 3 dargestellt, in der der Längsschnitt durch eine Zentrierfläche 32 führt.
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3 zeigt die Verbindungsanordnung 30 aus 2, ebenfalls in einer perspektivischen und in einer Längsschnittansicht, wobei in 3 durch die beschriebene zu 2 unterschiedliche Führung des Schnitts weitere Aspekte der Verbindungsanordnung 30 verdeutlicht werden.
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In der Längsschnittansicht in 3 nun zu sehen ist die Zentrierung des Lagergehäuses 12' mit dem Turbinengehäuse 14' über die Zentrierfläche 32 des Lagergehäuses, die als Außenmantelfläche ausgebildet ist und die mit einer korrespondierenden Innenmantelfläche des Turbinengehäuses 14' in Kontakt steht. Die Zentrierung der beiden Gehäuse erfolgt also über einen Zentrierbund.
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Die Längsschnittansicht in 3 erwägt zunächst den Eindruck, dass der Hitzeschild 18' zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein Teil durch den zylinderförmigen Teil 36 des Hitzeschilds 18' und der zweite Teil durch den krempenförmigen Teil 38 des Hitzeschilds 18' dargestellt ist. Diese Zweiteiligkeit des Hitzeschilds 18' könnte der Tribut an die gewollte beschriebene Zentrierung der Gehäuse sein bei gleichzeitiger Positionierung der Dichtungsanordnung 20' in der Mitte des durch die Linien 40 und 41 begrenzten Bereichs der V-Bandschelle 16'.
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Erst in Kombination mit der Längsschnittansicht aus 2 wird allerdings klar, dass eine Zweiteiligkeit des Hitzeschilds 18' nicht von Nöten ist und trotzdem die beschriebene Positionierung zusammen mit der beschriebenen Zentrierung beibehalten werden kann.
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Dies ist in der beschriebenen Art und Weise durch die Durchbrüche 42 des Hitzeschilds 18', durch die Verbindungsstege 34 und durch die korrespondierenden Freimachungen am Lagergehäuse 12' ermöglicht.
