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Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Hydrodynamische Maschinen weisen zumindest zwei beschaufelte Räder, im Folgenden Schaufelräder, auf, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden. Man unterscheidet dabei zwischen solchen hydrodynamischen Maschinen, die zur Ausbildung des Arbeitsraumes genau zwei Schaufelräder aufweisen, nämlich hydrodynamische Kupplungen und hydrodynamische Retarder, und solchen hydrodynamische Maschinen, bei welchen zusätzlich feststehende oder festsetzbare Leitschaufelgitter im Arbeitsraum vorgesehen sind, sogenannte hydrodynamische Wandler. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die erstgenannten hydrodynamischen Maschinen mit genau zwei Schaufelrädern, und hierbei besonders hydrodynamische Retarder, bei welchen Antriebsleistung beziehungsweise Drehmoment von einem ersten umlaufenden Schaufelrad auf ein zweites feststehendes Schaufelrad oder von einem ersten umlaufenden Schaufelrad auf ein zweites entgegengesetzt zum ersten Schaufelrad umlaufendes Schaufelrad übertragen wird, um das erste Schaufelrad abzubremsen.
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In Fahrzeugantriebssträngen, bei denen die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist es wichtig, dass die hydrodynamischen Maschinen, insbesondere ein hydrodynamischer Retarder, im abgeschalteten Zustand, das heißt im Zustand mit entleertem Arbeitsraum, eine möglichst geringe Verlustleistung, auch als Ventilationsverlust bezeichnet, aufweist. Zur Vermeidung solcher Ventilationsverluste sind bereits eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen worden, wie die Verwendung von Statorbolzen oder die Möglichkeit einer Evakuierung des Arbeitsraumes. Eine weitere Lösung für einen Retarder wird in der Patentschrift
DE 44 46 287 C2 beschrieben, nämlich den Stator in wenigstens zwei Statorsegmente zu unterteilen, von denen eins in seiner Lage gegenüber dem Rotorschaufelrad ortsfest ist und das andere gegenüber dem Rotorschaufelrad ausgelenkt werden kann. Für die Auslenkung der Segmente werden verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, wobei eine nicht näher beschriebene Möglichkeit vorsieht, die Statorsegmente in Umfangsrichtung beziehungsweise Tangentialrichtung des Statorschaufelrades zu verschieben.
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Die aus der Patentschrift
DE 44 46 287 C2 bekannten Merkmale sind im Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefasst.
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Obwohl somit bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen wurden, um die Leerlaufverluste (Ventilationsverluste) einer hydrodynamischen Maschine, insbesondere eines hydrodynamischen Retarders, zu reduzieren, ist in der heutigen Zeit, in der man bestrebt ist, den Energieverbrauch von Antriebssträngen weiter zu reduzieren, jede weitere Verlustleistungsreduzierung ein entscheidendes Kriterium für die Akzeptanz des Einsatzes einer solchen hydrodynamischen Maschine. Dies gilt bei Kraftfahrzeugretardern ganz besonders, da diese über der Gesamtlebensdauer des Antriebsstrangs nur in einem Bruchteil der Fahrtzeit zum Bremsen herangezogen werden und in der übrigen Zeit „nur” im Leerlauf möglichst verlustarm mit rotieren sollen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder anzugeben, deren/dessen Verluste im Leerlauf gering sind, bei zugleich hohem übertragenen Moment im Betrieb und kostengünstiger Herstellbarkeit.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder, die/der vorteilhaft genau zwei Schaufelräder aufweist, mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine, die insbesondere als hydrodynamischer Retarder ausgeführt ist, weist mindestens zwei Schaufelräder auf, die sich einander derart gegenüberstehend angeordnet sind, dass sie miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, in dem die Schaufeln der Schaufelräder positioniert sind. Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium befüllbar oder gemäß einer Ausführungsform auch ständig befüllt – wenn nämlich der Antrieb der hydrodynamischen Maschine zur Stillsetzung des ersten Schaufelrads abgeschaltet werden kann –, um Drehmoment mittels einer Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumraum hydrodynamisch vom ersten Schaufelrad auf das zweite Schaufelrad zu übertragen. Wie der Fachmann weiß, wird das Arbeitsmedium durch die Schaufeln des ersten Schaufelrades im Arbeitsraum radial nach außen beschleunigt, tritt in das gegenüberstehende zweite Schaufelrad ein, wird dort radial nach innen verzögert und tritt radial innen wieder in das erste Schaufelrad ein. Durch diese Kreislaufübertragung erfolgt die gewünschte Drehmoment- beziehungsweise Antriebsleistungsübertragung.
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Bei manchen hydrodynamischen Maschinen, insbesondere bei Ausführung als hydrodynamischer Wandler können die Schaufeln auch abweichend der zuvor beschriebenen Anordnung im Arbeitsraum positioniert sein, sodass der Eintritt beziehungsweise der Austritt der Kreislaufströmung in die/aus den Schaufeln des ersten Schaufelrades beziehungsweise des zweiten Schaufelrades auf einem anderen Durchmesser liegen können.
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Erfindungsgemäß läuft zumindest das erste Schaufelrad um eine Drehachse um. Bei Ausführungsform als hydrodynamische Kupplung oder als hydrodynamischer Wandler läuft das zweite Schaufelrad um dieselbe Drehachse in dieselbe Drehrichtung um, wie das erste Schaufelrad. Bei Ausführungsform als hydrodynamischer Retarder ist das zweite Schaufelrad stationär oder wird entgegen der Drehrichtung des ersten Schaufelrades um dieselbe Drehachse von außen angetrieben, um einen Gegenlaufretarder auszubilden.
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Wenigstens eines der beiden Schaufelräder ist im Bereich seiner Schaufeln in wenigstens zwei zueinander in Umfangsrichtung des Schaufelrades verdrehbare konzentrische Ringe und/oder Ringsegmente unterteilt, um durch relative Verdrehung der Ringe beziehungsweise Ringsegmente zueinander einzelne oder alle Schaufeln des Schaufelrades in ihrem Oberflächenverlauf durch einen Versatz wahlweise in einem ersten Zustand zu unterbrechen und in einem zweiten Zustand zu einer gemeinsamen stetigen Oberfläche auszurichten. Der erste Zustand ist bei einem hydrodynamischen Retarder der Bremsbetrieb, wohingegen der zweite Zustand der Leerlaufzustand oder Nicht-Bremsbetrieb ist.
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Um nun die Ausbildung einer Luftzirkulationsströmung im Arbeitsraum deutlich zu verbessern, sind die Schaufeln zumindest des unterteilten Schaufelrades im zu einer gemeinsamen stetigen Oberfläche ausgerichteten Zustand oder sogar die Schaufeln beider Schaufelräder in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse auf das jeweilige Schaufelrad in einem Bogen ausgeführt, der sich von einem radial inneren Schaufelende an einer radial inneren Wandung des Arbeitsraumes zu einem radial äußeren Schaufelende an einer radial äußeren Wandung des Arbeitsraumes erstreckt. Hierdurch wird erreicht, dass bei einer relativen Verdrehung des radial inneren Ringes beziehungsweise Ringsegmentes gegenüber dem äußeren Ring beziehungsweise Ringsegment (oder umgekehrt) der Strömungsquerschnitt für das im Arbeitsraum noch befindliche Medium, in der Regel Luft und/oder eine Restmenge von Arbeitsmedium, in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Schaufeln beziehungsweise Schaufelsegmenten weitaus stärker versperrt wird als bisher, wodurch eine besonders starke Störung der Strömung erreicht wird. Zugleich kann auf das Einschieben zusätzlicher Blenden oder anderer nicht an der Drehmomentübertragung im aktivierten Betriebszustand (Bremsbetrieb) beteiligten Elemente, die eine ähnlich starke Versperrung des Strömungsquerschnittes im Arbeitsraum erreichen könnten, verzichtet werden.
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Vorteilhaft weist der Bogen, in welchem sich die Schaufeln von ihrem radial inneren Schaufelende zu ihrem radial äußeren Schaufelende erstrecken, in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse des entsprechenden Schaufelrades eine Kreisbogenform oder Parabelform auf. Diese Kreisbogenform oder Parabelform ergibt sich somit zumindest vom Trennspalt aus auf jedes Schaufelrad gesehen. Selbstverständlich sind auch andere Bogenformen möglich, und diese Beschreibung der Bogenform bezieht sich beim unterteilten Schaufelrad auf den Zustand, in dem die konzentrischen Ringe oder Ringsegmente derart zueinander ausgerichtet sind, dass die einzelnen Schaufelsegmente, welche durch die Unterteilung des Laufrades in die Ringe beziehungsweise Ringsegmente gebildet werden, derart ausgerichtet sind, dass sie zusammen die gemeinsame stetige Oberfläche beziehungsweise Oberflächen auf den einander abgewandten Seiten der Schaufeln ergeben.
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Vorteilhaft sind das radial innere Schaufelende und das radial äußere Schaufelende einer Schaufel auf einer (theoretischen) Geraden positioniert, die senkrecht auf der Drehachse steht und somit durch den Mittelpunkt des Schaufelrades verläuft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform stehen die Schaufeln senkrecht auf einer Ebene, die durch den Trennspalt zwischen den beiden Schaufelrädern verläuft, und erstrecken sich in Richtung der Drehachse, welche senkrecht auf der genannten Ebene durch den Trennspalt steht. Vorteilhaft ist die Form des Bogens, in welchem sich die Schaufeln von ihrem radial inneren Schaufelende zu ihrem radial äußeren Schaufelende erstrecken, und/oder der Schaufelquerschnitt in jedem Axialschnitt bezogen auf die Drehachse der hydrodynamischen Maschine durch die Schaufeln im Wesentlichen oder vollständig identisch, wenn die Axialschnitte in Richtung der Drehachse hintereinander und in parallelen Ebenen gezogen sind.
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Da die Schaufeln eine gewisse Schaufeldicke aufweisen, kann die Definition des Bogens, über welchen sich die Schaufeln von ihrem radial inneren Schaufelende bis zu ihrem radial äußeren Schaufelende erstrecken, auf verschiedene Arten gewählt werden. Gemäß einer ersten hier angenommenen Definition wird der Bogen durch die Schaufelmittellinie gebildet. Die Schaufelmittellinie ist eine theoretische Linie, die auf jedem ihrer Punkte einen identischen Abstand zu den beiden beidseits der Schaufelmittellinie verlaufenden, entgegengesetzt zueinander angeordneten Schaufeloberflächen aufweist, bezogen auf den Radius der Schaufelmittellinie. In anderen Worten wird die Schaufelmittellinie durch jeden Mittelpunkt zwischen zwei sich gegenüberstehenden Tangenten an den einander abgewandten Oberflächen der Schaufeln gebildet.
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Eine andere mögliche Definition bezieht den Bogen auf eine der beiden Schaufeloberflächen.
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Die beiden genannten Definitionen sind hinsichtlich des bogenförmigen Verlaufes der Schaufeln identisch, wenn die Schaufeln eine konstante Schaufeldicke über dem Radius des Schaufelrades aufweisen. Vorzuziehen ist es jedoch, dass sich die Schaufeln, insbesondere ausgehend vom Bereich ihres Scheitels, das heißt ihres Mittelpunktes auf einer ihrer Schaufeloberflächen, zum radial inneren und zum radial äußeren Schaufelende in ihrem Querschnitt verjüngen.
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Die Schaufelvorderkanten der Schaufeln beider Schaufelräder, die einander gegenüberstehen, das heißt die einander in Richtung der Drehachse zugewandten freien axialen Enden der Schaufeln, weisen vorteilhaft eine konvexe Bogenform auf, in einem Axialschnitt entlang der Drehachse gesehen. Selbstverständlich sind auch andere Bogenformen, beispielsweise ein S-Bogen oder ein konkaver Bogen möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Schaufeln des ersten Schaufelrades und die Schaufeln des zweiten Schaufelrades ein zueinander identisches Profil auf, wobei sich jedoch die Anzahl der Schaufeln je Schaufelrad voneinander unterscheiden kann. Ferner ist es gemäß einer ersten Alternative möglich, dass alle Schaufeln ein- und desselben Schaufelrades ein zueinander identisches Schaufelprofil aufweisen. Gemäß einer zweiten Alternative weisen zwar die Schaufeln ein- und desselben Schaufelrades zueinander verschiedene Profile auf, diese verschiedenen Profile finden sich dann aber bei der beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform auch im anderen Schaufelrad wieder.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und einer möglichen Ausführungsform exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Axialschnitt durch einen hydrodynamischen Retarder;
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2 eine Draufsicht in Richtung der Drehachse auf ein Schaufelrad des Retarders gemäß der 1;
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3 die Bogenform der Schaufeln aus der Draufsicht gemäß der 2 in einer vergrößerten Darstellung;
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4 eine vergrößerte schematische Darstellung in einem Axialschnitt durch den torusförmigen Arbeitsraum mit dem Verlauf der vorderen freien Schaufelenden (Schaufelvorderkante);
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5 eine vergrößerte schematische Darstellung der beiden konzentrischen Ringe des Schaufelrades im relativ zueinander verschobenen Zustand.
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In der 1 erkennt man in der schematischen Darstellung einen hydrodynamischen Retarder mit einem umlaufenden ersten Schaufelrad 1 und einem stationären zweiten Schaufelrad 2. Die beiden Schaufelräder 1, 2 bilden zusammen den torusförmigen Arbeitsraum 3 aus, in dem die Schaufeln 5 jeweils des ersten Schaufelrades 1 und des zweiten Schaufelrades 2 positioniert sind.
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Das Schaufelrad 1 dreht sich über der Drehachse 4, wodurch das Arbeitsmedium radial nach außen beschleunigt wird und eine Kreislaufströmung im Arbeitsraum 3 ausbildet, siehe die Pfeile im Arbeitsraum 3.
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Wie man in der 2 erkennen kann, weisen die Schaufeln 5 in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse 4 die Form eines Bogens 8 auf, der von einer radial inneren Wandung 6 des Arbeitsraumes 3 zu einer radial äußeren Wandung 7 des Arbeitsraumes 3 verläuft. Dabei liegt das radial innere Schaufelende 5.1 an der radial inneren Wandung 6 an, und das radial äußere Schaufelende 5.2 liegt an der äußeren Wandung 7 an.
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Wie in der 3 nochmals in vergrößerter Darstellung gezeigt ist, bildet der Bogen 8 eine Kreisbogenform. Auch eine andere Bogenform, beispielsweise Parabelform, wäre möglich. Aufgrund dessen, dass vorliegend sich der Querschnitt der Schaufel 5 ausgehend vom Bereich ihres Scheitels 5.3 zum radial inneren Schaufelende 5.1 und radial äußeren Schaufelende 5.2 verjüngt, wird der Bogen 8 in seiner Kreisbogenform (Parabelform oder anderen Form) exakt durch die Schaufelmittellinie 11 gebildet. Die Schaufelmittellinie 11 weist überall einen identischen Abstand zu den jeweils beidseitig von ihr angeordneten Schaufeloberflächen beziehungsweise zu Tangenten, die an diesen Oberflächen verlaufen, auf, wobei die Strecke des kürzesten Abstandes senkrecht auf diesen Tangenten steht, siehe die eingezeichneten Pfeile.
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Das radial innere Schaufelende 5.1 und das radial äußere Schaufelende 5.2 sind auf einer Geraden 9 positioniert, die senkrecht auf der Drehachse 4 (in der 3 nicht eingezeichnet) steht.
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Wie in der 4 gezeigt ist, weisen die einander in Axialrichtung des hydrodynamischen Retarders zugewandten freien axialen Enden 5.4 der Schaufeln 5 eine konvexe Bogenform auf, in einem Axialschnitt entlang der Drehachse 4 gesehen, wie er in der 4 dargestellt ist.
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In der 4 ist ferner die Ebene 10 gezeigt, die durch den Trennspalt zwischen den beiden Schaufelrädern 1, 2 verläuft, und auf welcher die Schaufeln 5 insbesondere senkrecht stehen, zumindest im Bereich ihres freien axialen Endes oder über ihrer gesamten axialen Erstreckung.
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Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform sich der Kreisbogen 8 einer jeden Schaufel 5 über 180° erstreckt kommen generell auch größere oder kleinere Bogenlängen in Betracht, insbesondere in einem Bereich zwischen 120° bis < 180° oder > 180° bis 195°.
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Um nun im Nichtbetriebszustand beziehungsweise Leerlaufbetrieb, in welchem der Arbeitsraum 3 vom Arbeitsmedium entleert ist und gegebenenfalls sogar evakuiert ist, eine Ausbildung einer Kreislaufströmung, beispielsweise von Luft oder trotz Entleerung verbleibenden Resten von Arbeitsmedium sicher zu verhindern, ist zumindest eines der beiden gezeigten Schaufelräder 1, 2, hier das in der 2 gezeigte Schaufelrad, in zwei konzentrisch zueinander mit Bezug auf die Drehachse 4 angeordnete Ringe, hier Vollringe, unterteilt. Vorliegend sind dabei genau zwei Ringe vorgesehen, nämlich der radial innere Ring 12 und der radial äußere Ring 13, siehe die Teilfuge 14 zwischen den beiden Ringen 12, 13.
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Vorliegend verläuft die Teilfuge 14 in Radialrichtung gesehen in der Mitte des Arbeitsraumes 3, das heißt am vorderen axialen Ende 5.4 der Schaufeln 5 auf einem mittleren Durchmesser, der denselben Abstand zur radial äußeren Wandung 7 und zur radial inneren Wandung 6 des Arbeitsraumes 3 und/oder zum radial inneren Schaufelende 5.1 und zum radial äußeren Schaufelende 5.2 aufweist. Die Teilfuge 14 kann sich dabei in einem Axialschnitt durch das Schaufelrad entlang der Drehachse 4 parallel zur Drehachse 4 erstrecken oder, wie in der 4 gezeigt ist, auch schräg hierzu. Neben einem gradlinigen Verlauf in dem genannten Axialschnitt wäre auch ein bogenförmiger Verlauf oder abgewinkelter beziehungsweise zickzackförmiger Verlauf der Teilfuge 14 vorstellbar.
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Während in den 2 und 3 der Zustand des Schaufelrades im aktivierten Betriebszustand der hydrodynamischen Maschine mit mit Arbeitsmedium befülltem Arbeitsraum 3 (bei einem Retarder der Bremsbetrieb) gezeigt ist, in welchem die beiden konzentrischen Ringe 12, 13 derart zueinander ausgerichtet sind, dass die die Schaufeln 5 ausbildenden Segmente gemeinsam zwei stetige Oberflächen einer jeden Schaufel 5 auf entgegengesetzten Seiten ausbilden, ist in der 5 der verdrehte Zustand der Ringe 12, 13 gezeigt, in welchem die Schaufeloberflächen unterbrochen sind, nämlich durch Verschiebung des radial inneren Ringes 12 in Umfangsrichtung relativ zu dem radial äußeren Ring 13 oder durch Verschiebung des radial äußeren Ringes 13 gegenüber dem radial inneren Ring 12 oder durch gleichzeitige Verschiebung beider Ringe 12, 13. Wie man sieht, ist durch die Verschiebung nicht nur die Oberfläche auf jeder Seite einer jeden Schaufel 5 durch einen Versatz in ihrem Verlauf von radial innen nach radial außen beziehungsweise vom radial inneren Schaufelende 5.1 zum radial äußeren Schaufelende 5.2 unterbrochen, sondern die Stirnfläche der Schaufeln 5, welche entlang der Teilfuge 14 verläuft, steht einer sich ausbildenden Kreislaufströmung im Weg und versperrt den Strömungskanal. Wenn dabei das erste Schaufelrad entsprechend in Ringe 12, 13 oder Ringsegmente unterteilt ausgeführt ist, steht die Stirnfläche 16 der Schaufeln 5 des radial äußeren Ringes 13 der Strömung entgegen, siehe die Pfeile mit ausgezogener Linie. Wenn hingegen das zweite Schaufelrad, insbesondere der Stator eines Retarders entsprechend unterteilt ausgeführt ist, steht die Stirnfläche 15 des radial inneren Ringes 12 einer Kreislaufströmung entgegen und versperrt den Strömungskanal, siehe die Pfeile in gestrichelter Linie. Somit ist bei der vorliegend gewählten Bezeichnung die Stirnfläche 15 radial nach außen gerichtet und steht einer radial nach innen gerichteten Strömung entgegen, wohingegen die Stirnfläche 16 radial nach innen gerichtet ist und einer Strömung radial nach außen entgegensteht.
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Durch die vorliegend dargestellte Ausführung mit Schaufeln 5, die sich von ihrem Scheitelpunkt 5.3 aus in Richtung der radialen Enden 5.1 und 5.2 in ihrem Querschnitt verjüngen, wobei die Teilfuge 14 in der Nähe des oder sogar exakt durch den Scheitelpunkt 5.3 verläuft, weisen die genannten Stirnflächen 15 und 16 eine erhebliche Breite in Umfangsrichtung des Schaufelrades auf. Die Sperrwirkung dieser Breite wird durch die sich anschließende Bogenform der Schaufeln 5 verstärkt, welcher dazu führt, dass auch die Schaufeln 5 sich in Umfangsrichtung erstrecken.
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Obwohl die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit zwei relativ zueinander verdrehbaren Ringen dargestellt wurde, kann auch eine Ausführungsform mit drei, vier oder mehr konzentrisch zueinander angeordneten Ringen vorgesehen sein, die in Radialrichtung hintereinander angeordnet sind beziehungsweise sich in Umfangsrichtung umschließen. Auch eine Aufteilung in Ringsegmente ist möglich.
