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Die Erfindung betrifft einen Leitapparat für ein zu einer Abgasturbine strömendes Gas mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, Brennkraftmaschinen, beispielsweise Ottomotoren oder Dieselmotoren, über Turbolader aufzuladen. Bei dieser Aufladung wird zusätzliche Frischluft in die Verbrennungsräume des Motors eingebracht, indem ein Strömungsverdichter diese Luft zusätzlich zum ansaugenden Unterdruck in den Verbrennungsräumen fördert. Durch die höhere Masse an Frischluft kann für die Verbrennung mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden und eine höhere Leistung lässt sich aus der Verbrennung der gleichen Menge an Brennstoff erzielen. Die Turbolader nutzen dieses Prinzip der Aufladung, indem sie die zum Antrieb des Strömungsverdichters benötigte Leistung aus dem Abgasstrom des Motors gewinnen. Hierfür durchströmt das heiße Abgas eine zumindest mittelbar mit dem Strömungsverdichter verbundene Abgasturbine, um diesen anzutreiben. Beim typischen Aufbau des Turboladers sind die Turbine und der Strömungsverdichter dabei auf einer Welle angeordnet.
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Neben der Anwendung in Abgasturboladern können vergleichbare Abgasturbinen dabei auch in sogenannten Turbo-Compound-Systemen eingesetzt werden. Die Turbinen in diesen Systemen nutzen ebenfalls das aus dem Verbrennungsmotor strömende Abgas, stellen die hieraus gewonnene Leistung über eine entsprechende Getriebeeinheit und gegebenenfalls eine Kupplung, insbesondere eine hydrodynamische Kupplung, der Kurbelwelle zur Verfügung. Sie helfen so unmittelbar Antriebsenergie einzusparen, indem ein Teil der im Abgas des Motors enthaltenen Energie für Antriebszwecke genutzt wird.
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Bei Abgasturbinen in Turboladern und Turbo-Compound-Systemen ist es außerdem aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass ein Leitapparat mit mehreren Leitschaufeln vorhanden ist. Diese Leitschaufeln sitzen typischerweise als Kranz um die Turbine herum, sodass das zur Turbine strömende Gas zuerst diesen Leitapparat durchströmen muss, bevor es zur Turbine gelangt. Über wenigstens eine verstellbare Leitschaufel dieses Leitapparats lässt sich dabei die Strömung des Gases zur Turbine entsprechend beeinflussen, um so bei unterschiedlichen Volumenströmen des Abgases dennoch einen idealen Betrieb der Turbine und eine maximale Energieausbeute aus dem Abgas zu gewährleisten. Daneben spielt bei derartigen Konzepten, welche auch als variable Turbinengeometrie oder als variabler Turbineneintritt bezeichnet werden, die Regelung des Ladedrucks und/oder die Regelung einer zurückgeführten Abgasmenge, welche durch den Gegendruck vor der Turbine beeinflussbar ist, eine entscheidende Rolle.
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Herkömmliche Aufbauten sind dabei sehr komplex und weisen viele Bauteile auf. Hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer der Abgasturbine stellt dies einen gravierenden Nachteil dar, insbesondere bei Anwendungen in Nutzfahrzeugen, bei denen eine deutlich höhere Lebensdauer als bei vergleichbaren Anwendungen in Personenkraftwagen gefordert ist.
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Beispielhaft soll hinsichtlich einer Abgasturbine mit einem Leitapparat mit wenigstens einer verstellbaren Leitschaufel auf die
DE 10 2007 031 647 A1 verwiesen werden. Diese zeigt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, bei dem mehrere in einem Kranz um das Laufrad der Turbine angeordnete Leitschaufeln vorhanden sind. Die einzelnen Leitschaufeln des Leitapparats lassen sich verstellen, indem an einer der jeweiligen Leitschaufel zugeordneten zentralen Achse ein Verstellhebel angebracht ist, welcher mit einem drehbaren Stellring korrespondiert und so eine gleichmäßige Verstellung der Leitschaufeln des Leitapparats ermöglicht.
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Die in der beispielhaft genannten deutschen Offenlegungsschrift dargestellte Art, die verstellbaren Leitschaufeln über Hebel, welche an einer Drehachse angebracht sind und mit einem Verstellring korrespondieren, zu verstellen, ist allgemein üblich. Allerdings ist sie vergleichsweise aufwändig, da die Hebel typischerweise erst während der Montage des Leitapparats mit den Stellachsen verschweißt und im exakt vorgegebenen Winkel passgenau in dem Stellring angeordnet werden müssen.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung einen Leitapparat für ein zu einer Abgasturbine strömendes Gas anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet und welcher einen einfachen Aufbau ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung für den Leitapparat sieht es vor, dass die verstellbar ausgebildete Leitschaufel drehbeweglich und/oder in Umfangsrichtung verschieblich an einem ersten Bauteil befestigt ist. Außerdem ist sie an einem zweiten Bauteil verschieblich befestigt. Durch eine Relativbewegung der beiden Bauteile gegeneinander erfolgt dann ein Verstellen der wenigstens einen verstellbaren Leitschaufel. Der erfindungsgemäße Aufbau kann also auf das Anbringen von Hebeln, welche in einer definierten Winkellage zur Drehachse während der Montage angebracht werden müssen, verzichten. Stattdessen nutzt er eine drehbewegliche und/oder in Umfangsrichtung verschiebliche Befestigung an einem ersten Bauteil zusammen mit einer Befestigung an einem zweiten Bauteil, welche verschieblich ausgebildet ist. Dieser Aufbau, welcher beispielsweise über einen in einer Nut verschieblichen Kulissenstein realisiert werden kann, ist dabei deutlich einfacher und effizienter in der Montage als das winkelgenaue Anbringen von Stellhebeln, welche erst nach der Montage der Leitschaufeln beziehungsweise ihrer Drehachsen am fertigen Bauteil angebracht werden können. Der Aufbau lässt so bei geringfügig höherer Komplexität der Einzelteile eine deutlich einfachere und schnellere Montage zu, sodass insgesamt ein sehr einfacher und effizienter Aufbau möglich wird.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitapparats ist es ferner vorgesehen, dass die Befestigung der verschieblich ausgebildeten Leitschaufel am zweiten Bauteil mittels einer Nut und einem darin verschieblichen ersten Kulissenstein ausgebildet ist. Diese Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, dass der erste Kulissenstein beispielsweise fest mit der Leitschaufel verbunden ist. Dieser kann vorzugsweise an einem Ende der Leitschaufel angeordnet sein. Dieser Kulissenstein, welcher insbesondere als Bolzen mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet sein soll, kann dann in einer Nut, beispielsweise einem geraden oder gebogenen Langloch, geführt werden. Wird nun das zweite Bauteil, in dem in diesem Fall die Nut angeordnet ist, gegenüber dem ersten Bauteil verschoben, so verschiebt sich auch der erste Kulissenstein innerhalb der Nut und die mit dem ersten Kulissenstein verbundene Leitschaufel wird entsprechend verschoben und damit so verstellt, dass eine Veränderung der Beeinflussung der Strömung des Gases erzielt wird. Die Art und Bewegung der Verstellung kann über den Verlauf der Nut sehr einfach und präzise vorgegeben werden.
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In einer ersten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei zusätzlich vorgesehen, dass die Befestigung der verschieblichen Leitschaufel am ersten Bauteil als drehbewegliche Befestigung in etwa in der Mitte der Leitschaufel ausgebildet ist. Die Befestigung kann in dieser sehr einfachen Ausführungsform im Wesentlichen von dem bisherigen Aufbau übernommen werden. Anstelle eines aufwändigen Stellhebels, welcher erst während der Montage der Leitschaufel an dieser angebracht wird, ist sie außerdem bevorzugt im Bereich eines ihrer Enden mit dem ersten Kulissenstein versehen, welcher mit einer Nut im zweiten Bauteil so korrespondiert, dass ein Verschieben des zweiten Bauteils gegenüber dem ersten Bauteil – oder umgekehrt – zu einer geeigneten Drehbewegung der Leitschaufeln um die Drehachse führt. Damit kann dann eine vorgegebene Verstellung der Leitschaufeln, insbesondere eine Verstellung aller Leitschaufeln durch die Drehung eines einzigen zweiten Bauteils realisiert werden.
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In einer alternativen Ausführungsform hierzu ist es vorgesehen, dass die Befestigung der verstellbar ausgebildeten Leitschaufel am ersten Bauteil als drehbewegliche Befestigung im Bereich des einen Endes der Leitschaufel ausgebildet ist. Dieser Aufbau stellt einen größeren Hebelweg für die Verstellung der Leitschaufeln zur Verfügung. Allerdings muss dann die Form und Art der verschieblichen Befestigung mit dem zweiten Bauteil entsprechend angepasst sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass das erste Bauteil relativ zum zweiten Bauteil drehbar ausgebildet ist, sodass die drehbewegliche Befestigung im Bereich des einen Endes der verstellbar ausgebildeten Leitschaufel in Umfangsrichtung gegenüber dem zweiten Bauteil verschieblich ist. Eine solche Verschieblichkeit der drehbaren Befestigung der verstellbar ausgebildeten Leitschaufel mit dem ersten Bauteil ermöglicht zusammen mit der verschieblichen Befestigung mit dem zweiten Bauteil beim relativen Verdrehen der Bauteile gegeneinander eine komplexe Bewegung der Leitschaufel von einer geöffneten Stellung durch eine Art Schwenkbewegung in eine geschlossene Stellung. Dies ermöglicht über weite Strecken der Stellung des Leitapparats eine ideale Durchströmung mit dem Abgas und kann so zu einem hohen Wirkungsgrad an der Abgasturbine beitragen, da insbesondere bei herkömmlichen Aufbauten im Bereich der Endstellungen der Leitschaufeln erhebliche Wirkungsgradverluste durch eine Fehlanströmung der Leitschaufeln auftreten.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Aufbaus kann es ferner vorgesehen sein, dass die Befestigung der verstellbar ausgebildeten Leitschaufel am ersten Bauteil mittels einer zweiten Nut und einem darin verschieblichen zweiten Kulissenstein ausgebildet ist, wobei die zweite Nut in Umfangsrichtung verläuft. Ein solcher Aufbau mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden zweiten Nut und einem zweiten Kulissenstein, welcher insbesondere mit rundem Querschnitt ausgebildet und in der zweiten Nut drehbar verschieblich ist, kann ebenfalls genutzt werden, um den zuletzt beschriebenen Effekt zu erzielen. Er ist durch die Verwendung von zwei Nuten mit darin geführtem Kulissenstein hinsichtlich der Lagerung sehr einfach und kann einen Aufbau erzielen, bei welchem eine Drehbarkeit des ersten Bauteils nicht mehr notwendig ist.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparats ist es ferner vorgesehen, dass die Leitschaufel und der erste Kulissenstein und/oder der zweite Kulissenstein oder die Drehachse einstückig ausgebildet sind. Diese einstückige Ausbildung der Leitschaufeln mit ihren Drehachsen und/oder Kulissensteinen ist besonders einfach und effizient da die Bauteile dann aus einem Stück, beispielsweise gegossen, geschmiedet oder gefräst werden können und so weitere Montageschritte zum Anbringen von Kulissensteinen und/oder Drehachsen eingespart werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leitapparats ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Frontansicht eines ersten möglichen Aufbaus des erfindungsgemäßen Leitapparats;
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2 die Darstellung gemäß 1 von ihrer Rückseite;
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3 den Aufbau gemäß 1 in einer geöffneten Stellung der Leitschaufeln;
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4 den Aufbau gemäß 1 in einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln;
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5 eine dreidimensionale Ansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitapparats;
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6 die Leitschaufeln in der Ausführung gemäß 5 in einer geöffneten Stellung; und
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7 die Leitschaufeln in der Ausführung gemäß 5 in einer geschlossenen Stellung.
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In der Darstellung der 1 ist die Draufsicht auf einen Leitapparat 1 für ein zu einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Abgasturbine strömendes Gas dargestellt. Der Leitapparat 1 weist mehrere über den Umfang verteilte kranzartig angeordnete verstellbare Leitschaufeln 2 auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese auf einer den Strömungsraum begrenzenden Wand angeordnet. Eine zweite derartige Wand würde in der dreidimensionalen Ansicht auf den Leitschaufeln liegen, sodass das Gas den Bereich des Leitapparats 1 üblicherweise radial von außen nach innen durchströmen würde. Der durch die Wände begrenzte Strömungsraum, in welchem die Leitschaufeln 2 angeordnet sind, verbindet dabei typischerweise einen Anströmbereich eines Turbinengehäuses radial außerhalb des Leitapparats 1 mit der radial innerhalb des Leitapparats angeordneten, hier nicht dargestellten Abgasturbine. Die einzelnen Leitschaufeln 2, so wie sie in der Darstellung der 1 zu erkennen sind, sind über eine Drehachse 4, welche beispielhaft nur an einigen der Leitschaufeln 2 mit einem Bezugszeichen versehen worden ist, drehbeweglich gelagert, beispielsweise im Bereich des die Wand aufweisenden ersten Bauteils 3. Außerdem weist das erste Bauteil 3 entsprechende Durchgangsöffnungen auf, welche im Bereich der dickeren Enden von einigen der Leitschaufeln zu erkennen sind. Diese sind mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Durch die Durchgangsöffnungen 5 ragen fest mit den Leitschaufeln 2 verbundene Bolzen als Kulissensteine 9 hindurch.
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Auf der in 2 dargestellten Rückseite des ersten Bauteils 3 ist ein zweites Bauteil 6 in Form eines Stellrings angeordnet. Dieser Stellring 6, welcher über drei Lagerelemente 7 drehbar gelagert ist, weist Nuten 8 als Führungsnuten auf, in welchen die Endender mit den Leitschaufeln 2 verbundenen und durch die Durchgangsöffnungen 5 hindurchragenden Bolzen als Kulissensteine 9 laufen. Diese aufgrund eines späteren Ausführungsbeispiels als erste Kulissensteine 9 bezeichneten Kulissensteine laufen in den Nuten 8, welche schräg zwischen der radialen Richtung und der Umfangsrichtung beziehungsweise einer Tangente an der Umfangsrichtung ausgebildet sind. Kommt es nun zu einem Verdrehen des zweiten Bauteils beziehungsweise des Stellrings 6 in die eine oder andere Richtung, wie es durch den mit S bezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist, dann gleiten die ersten Kulissensteine 9 in den Nuten 8 und bewegen so das mit ihnen verbundene Ende der Leitschaufeln 2 auf einer vorgegebenen Bahn gegenüber der Drehachse 4 der Leitschaufeln 2. Damit kommt es durch die Stellbewegung S des Stellrings 6, mit welchem die Leitschaufeln 2 verschieblich verbunden sind, zu einer entsprechenden Bewegung der Leitschaufeln 2, sodass mit einem einzigen Aktuator und bei minimalem Montageaufwand ein Verstellen der Leitschaufeln 2 auf einer durch den Verlauf der Nuten 8 vorgegebenen Bahn erreicht wird.
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In der Draufsicht der 3 und 4 ist dieser Aufbau nochmals zu erkennen. Auch hier sind die Leitschaufeln 2 mit ihren Drehachsen 4 sowie die durch das erste Bauteil 3 gehenden Durchgangsöffnungen 5 zu erkennen. Dahinter liegt der hier nicht erkennbare Stellring 6, in welchem die hier ebenfalls nicht erkennbaren Kulissensteine 9 in den Nuten 8 verschoben werden. Dreht man nun den Stellring 6 um die Stellbewegung S, so kommt es am einen Anschlag der Kulissensteine 9 in den Nuten 8 zu in der 3 dargestellten geöffneten Stellung der Leitschaufeln 2 und am andern Anschlag zu der in 4 dargestellten geschlossenen Stellung der Leitschaufeln 2.
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Gegenüber der vergleichsweise aufwändigen winkelgenauen Montage von Stellhebeln an jeder einzelnen Drehachse 4 der Leitschaufeln 2, wie dies beim Stand der Technik während der Montage des Aufbaus notwendig ist, tritt bei diesem Aufbau also ein sehr einfacher Aufbau mit Drehachse 4 und erstem Kulissenstein 9, welche insbesondere einstückig mit der Leitschaufel 2 ausgebildet sein können. Über die Drehachse 4 erfolgt dann eine Lagerung im Bereich des ersten Bauteils 3. Durch das erste Bauteil 3 ragt dann durch eine geeignete Durchgangsöffnung 5 der erste Kulissenstein 9 in den Bereich des in 2 dargestellten Stellrings 6 und wird in den Nuten 8 auf einer geeigneten Bahn zwangsgeführt. Durch eine Stellbewegung S des Stellrings 6 als zweitem Bauteil relativ zum ersten Bauteil 3 kann so eine Verstellung der Position der Leitschaufeln 2 erfolgen, deren Endpunkte in den 3 und 4 dargestellt sind. Alles in allem entsteht so ein sehr einfacher Aufbau, welcher hinsichtlich der Montage sehr einfach und kostengünstig ist, und welcher eine hohe Zuverlässigkeit des Aufbaus gewährleistet.
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In der Darstellung der 5 ist ein Ausschnitt aus einer dreidimensionalen Ansicht eines alternativen Aufbaus des erfindungsgemäßen Leitapparats 1 zu erkennen. Dieser weist auch hier mehrere Leitschaufeln 2 auf, welche an ihrem einen Ende über eine Drehachse 4 und an ihrem Ende über einen Bolzen als ersten Kulissenstein 9 verfügen. Drehachse 4 und Kulissenstein 9 können dabei analog dem Aufbau der zuvor beschriebenen Figuren insbesondere einstückig ausgeführt sein. Im Bereich der Drehachse 4 ist die Leitschaufel 2 dabei mit dem ersten Bauteil 3 drehbeweglich verbunden. Im Bereich des ersten Kulissensteins 9 erfolgt die Lagerung wiederum in einer Nut 8, welche in dem zweiten Bauteil 6, welches beispielsweise wiederum als Stellring ausgebildet sein kann, ausgeführt ist. Der Aufbau kann dabei auf der dem Betrachter zugewandten Seite des dreidimensionalen Aufbaus nochmals analog vorhanden sein, sodass Lagerung und Führung der Leitschaufeln 2 sowohl auf der einen Seite der axialen Richtung als auch auf der anderen Seite der axialen Richtung analog erfolgt.
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In der zweidimensionalen Darstellung der 6 und 7 sind wiederum zwei verschiedene Zustände des Leitapparats 1 in der Ausführung gemäß 5 zu erkennen. 6 zeigt dabei den geöffneten Zustand der Leitschaufeln 2 an ihrem einen Anschlag, während 7 den geschlossenen Zustand an ihrem anderen Anschlag zeigt. Bei dem Aufbau des erfindungsgemäßen Leitapparats 1 nach den 5, 6 und 7 ist es so, dass das mit 3 bezeichnete erste Bauteil feststehend ausgebildet sein soll. Dieses ist gegenüber dem mit 6 bezeichneten Stellring relativ verdrehbar, sodass der Stellring 6 eine erste in 6 dargestellte und eine zweite in 7 dargestellte Position einnehmen kann. Diese Stellbewegung S kann dabei in einer alternativen Ausführungsform selbstverständlich auch von dem ersten Bauteil 3 gegenüber dem zweiten Bauteil 6 ausgeführt werden oder beide Bauteile 3, 6 drehen sich relativ zueinander und gegenüber beispielsweise dem Turbinengehäuse.
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Bei der relativen Drehbewegung beziehungsweise Stellbewegung S des ersten Bauteils 3 gegenüber dem zweiten Bauteil 6 kommt es nun einerseits zu einem Verdrehen der Leitschaufeln 2 um ihre Drehachsen 4 und gleichzeitig zu einem Verschieben des ersten Kulissensteins 9 in den Nuten 8 in einer Richtung mit radialen und tangentialen Komponenten. Durch diesen Verlauf der Nuten 8, beispielsweise mit linearer Mittelachse im Bereich der Winkelhalbierenden zwischen tangentialer und radialer Richtung, kommt es zu einem Verschwenken der Leitschaufeln 2. Der Mittelpunkt der Leitschaufeln 2 wird damit eine Bewegung auf einer vorgegebenen gekrümmten Bahn erfahren, sodass durch die Schwenkbewegung in allen Einstellungen eine ideale Anströmung und Durchströmung der Leitschaufeln 2 des Leitapparats 1 erzielt werden kann. Damit lässt sich über den gesamten Stellbereich des Leitapparats 1 hinweg eine Strömung mit bestmöglichem Wirkungsgrad gewährleisten und eine ideale Anströmung der hier nicht dargestellten Abgasturbine erreichen. Ein Verlauf der Nuten 8 mit gebogener oder mehrfach gebogener, zum Beispiel S-förmiger, Mittelachse wäre ebenso denkbar.
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Alternativ zu dem in den 5 bis 7 beschriebenen Aufbau mit einer Drehachse 4 im Bereich des einen Endes der Leitschaufel 2 wäre es selbstverständlich auch denkbar, in diesem Bereich einen nicht dargestellten zweiten Kulissenstein anstelle der Drehachse 4 vorzusehen, welcher dann in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut eine entsprechende verschiebliche Bewegung ausführt. Damit ließe sich eine vergleichbare Bewegung der Leitschaufeln 2 realisieren.
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Alles in allem entsteht so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher bei minimiertem Montageaufwand einen sehr guten Wirkungsgrad, einen robusten Aufbau und eine lange Lebensdauer des Leitapparats 1 für die Abgasturbine gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007031647 A1 [0006]
