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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung basiert auf der am 4. September 2014 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-180610 und der am 28. August 2015 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-168824 , deren Offenbarungen hierein durch Bezugnahme darauf einbezogen sind.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Abgasturbine, die für einen Turbolader verwendet wird und zwei Spiralgänge bzw. Scroll-Kanäle einschließt, die jeweils eine unterschiedliche Kapazität aufweisen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Eine Abgasturbine für einen Turbolader in der verwandten Technik ist in Patentliteratur 1 offenbart.
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Die in Patentliteratur 1 offenbarte Abgasturbine beinhaltet einen ersten Spiralgang bzw. Scroll-Kanal mit einem kleinen Durchgangsgebiet und einen zweiten Spiralgang bzw. Scroll-Kanal mit einem großen Durchgangsgebiet, welche durch Unterteilen eines Innenraums eines Turbinengehäuses in axialer Richtung mittels einer Trennwand festgelegt sind, und ein Ventil mit variabler Kapazität, das zum Öffnen und Schließen eines Einlasses des zweiten Scroll-Kanals imstande ist.
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Die Abgasturbine ist imstande, zum Erzielen einer Turbinen-Ausgabeleistung in Entsprechung zu einer Strömungsrate eines Abgases, zum Beispiel durch Schließen des Ventils mit variabler Kapazität in einem Niederdrehzahl-Rotationsbereich eines Motors (zum Beispiel, wenn die Strömungsrate eines Abgases gering ist), um ein Abgas intensiv allein in den ersten Scroll-Kanal einzuleiten, und durch Öffnen des Ventils mit variabler Kapazität in einem Hochdrehzahl-Rotationsbereich, bei dem eine Strömungsrate eines Abgases hoch ist, um ein Abgas auch in den zweiten Scroll-Kanal einzuleiten.
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LITERATUR DES STANDS DER TECHNIK
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PATENTLITERATUR
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- Patentliteratur 1: JPS58-138222A
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In der in Patentliteratur 1 offenbarten Abgasturbine weisen der erste Scroll-Kanal und der zweite Scroll-Kanal allerdings unterschiedliche Durchgangsgebiete auf. Genauer gesagt, macht ein Durchgangsgebiet des ersten Scroll-Kanals ein Drittel oder weniger des Gesamtgebiets aus. Gemäß der offenbarten Konfiguration, werden daher zwei verschiedene Strömungsraten und zwei verschiedene Geschwindigkeitsvektoren in der axialen Richtung an einem Einlass der Turbinenschaufeln erzeugt, und ein Strom eines Abgases aus jedem Scroll-Kanal strömt bei verschiedenen Winkeln in die Turbinenschaufeln. Der Erfinder führte eine detaillierte Untersuchung durch und gelangte zu dem Befund, dass sich in einem Fall, in dem die Turbinenschaufeln entworfen sind, um Abgas in beide von dem ersten Scroll-Kanal und dem zweiten Scroll-Kanal einzuleiten, ein Problem ergibt, wenn das Abgas allein in den ersten Scroll-Kanal eingeleitet wird, weil es zu Turbulenzen oder Abdrosselung kommt, und ein Druckverlust in einem Maß anwächst, welches die Turbineneffizienz verschlechtert. Der Erfinder identifizierte ein weiteres Problem, nämlich, dass der Reibungsverlust auf einer Gangoberfläche im ersten Scroll-Kanal mit einem kleinen Durchgangsgebiet im Vergleich zu dem zweiten Scroll-Kanal mit einem großen Durchgangsgebiet, zunimmt und diese Zunahme des Reibungsverlusts ebenfalls die Turbineneffizienz verschlechtert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Abgasturbine, die für einen Turbolader verwendet wird und zum Beschränken der Verschlechterung der Turbineneffizienz imstande ist, bereitzustellen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die in einem Turbolader eingesetzte Abgasturbine ein Turbinenrad, aufweisend eine Vielzahl von Turbinenschaufeln auf einem Umfang einer an einer Welle befestigten Nabe, und ein Turbinengehäuse, das einen Scroll-Kanal definiert, auf einem Außen-Umfang des Turbinenrads. Das Turbinenrad dreht sich, wenn aus einem Verbrennungsmotor ausgestoßenes Abgas durch den Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasen wird. Das Turbinengehäuse unterteilt den Scroll-Kanal in eine erste axiale Seite und eine zweite axiale Seite, wodurch ein erster Scroll-Kanal auf der ersten Seite und ein zweiter Scroll-Kanal auf der zweiten Seite derart bereitgestellt werden, dass eine Strömungsrate eines durch den ersten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases eingestellt wird, um niedriger zu sein als eine Strömungsrate eines durch den zweiten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases. Wenn ein Anstellwinkel der Turbinenschaufeln, eingestellt am Einlass der Turbinenschaufeln auf der ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal korrespondiert, ein erster Anstellwinkel ist, ein Anstellwinkel der Turbinenschaufeln, eingestellt am Einlass der Turbinenschaufeln auf der zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal korrespondiert, ein zweiter Anstellwinkel ist, und ein Einströmwinkel eines in den Einlass der Turbinenschaufeln strömenden Abgases bezüglich einer radialen Richtung in einem Umlauf-Koordinatensystem des Turbinenrads auf 0° eingestellt wird, ein relativer Einströmwinkel ist, dann wird der erste Anstellwinkel gemäß eines relativen Einströmwinkels eines durch den ersten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases eingestellt, und der zweite Anstellwinkel wird gemäß eines relativen Einströmwinkels eines durch den zweiten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases eingestellt.
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In der Abgasturbine der vorliegenden Offenbarung wird die Strömungsrate eines durch den ersten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases eingestellt, um niedriger zu sein als eine Strömungsrate eines durch den zweiten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases. Somit unterscheidet sich ein relativer Einströmwinkel eines Abgases an einem Einlass der Turbinenschaufeln zwischen der ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal korrespondiert, und der zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal korrespondiert.
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Als Reaktion auf die unterschiedlichen relativen Einströmwinkel werden unterschiedliche Anstellwinkel bei den Turbinenschaufeln auf der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite gemäß den jeweiligen relativen Einströmwinkeln des Abgases eingestellt. Das heißt, der erste Anstellwinkel wird auf der ersten axialen Seite gemäß eines relativen Einströmwinkels eines durch den ersten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases eingestellt, und der zweite Anstellwinkel auf der zweiten axialen Seite wird gemäß einem relativen Einströmwinkel eines durch den zweiten Scroll-Kanal gegen die Turbinenschaufeln geblasenen Abgases eingestellt. Folglich können die Turbinenschaufeln im Vergleich zu dem in der Patentliteratur 1 offenbarten Stand der Technik flexibler entworfen werden, wobei die Turbinenschaufeln gemäß einem von einer Strömungsrate eines Abgases, das durch den ersten Scroll-Kanal läuft, und einer Strömungsrate eines Abgases, das durch den zweiten Scroll-Kanal läuft, ausgestaltet werden, wenn die Strömungsraten verschieden sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vorgenommen wird. In den Zeichnungen ist/sind:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Turbinenrads gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 eine Schnittansicht zur Darstellung eines ersten Anstellwinkels und eines zweiten Anstellwinkels, die bei den Turbinenschaufeln eingestellt sind;
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3 eine Schnittansicht einer Abgasturbine der ersten Ausführungsform;
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4 eine Ansicht zur Darstellung einer Gesamtkonfiguration eines Einlass- und Abgassystems eines Motors, einschließlich eines Turboladers;
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5A und 5B Ansichten, die zum Beschreiben eines Geschwindigkeitsdreiecks eines Abgases verwendet werden;
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6A bis 6G Ansichten, die zum Beschreiben einer Beziehung zwischen dem ersten Anstellwinkel und dem zweiten Anstellwinkel verwendet werden;
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7 ist eine perspektivische Ansicht von Turbinenschaufeln gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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8 ist eine Schnittansicht einer Abgasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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9 ist eine Schnittansicht einer Abgasturbine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
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10 ist eine Schnittansicht einer Abgasturbine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Konfigurationen zur Ausführung der vorliegenden Offenbarung werden im Detail in den nachstehenden Ausführungsformen beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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Wie in 4 gezeigt, beinhaltet ein Turbolader 1 einer ersten Ausführungsform eine Abgasturbine 4, angeordnet stromabwärts zu einem Abgaskrümmer 3 in einem Abgasweg eines Motors 2, und einen Ansaugluftverdichter 6, angeordnet stromaufwärts eines Einlasskrümmers 5 in einem Ansaugweg des Motors 2.
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Die Abgasturbine 4 weist ein Turbinengehäuse 7, in das ein Abgas durch den Abgaskrümmer 3 eingeführt wird, und ein Turbinenrad 8, das innerhalb des Turbinengehäuses 7 gelagert ist und kinetische Energie eines Abgases in eine Rotationskraft umwandelt, auf. Das Turbinenrad 8 ist eine radiale Turbine, welche ein Abgas von einem Außen-Umfang her in einer radialen Richtung einströmen und in einer axialen Richtung ausströmen lässt.
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Eine Abgasreinigungsvorrichtung 9, die eine toxische Substanz aus einem Abgas entfernt, und ein Auspuffdämpfer 10, der als Schalldämpfervorrichtung wirkt, sind in einem Abgasweg stromabwärts der Abgasturbine 4 angeordnet.
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Die Abgasturbine 4 ist mit einem Wastegate-Mechanismus ausgestattet, der zum Anpassen einer Strömungsrate eines Abgases, das in das Turbinenrad 8 einströmt, imstande ist. Der Wastegate-Mechanismus umfasst zum Beispiel einen Abgas-Umgehungs-Kanal 11 zum Umgehen des Turbinenrads 8, indem eine Abgasstromaufwärts-Seite und eine Abgasstromabwärts-Seite des Turbinengehäuses 7 in Kommunikation gebracht werden, und ein Wastegate-Ventil 12, das zum Öffnen und Schließen des Abgas-Umgehungs-Kanals 11 imstande ist. Das Wastegate-Ventil 12 öffnet sich, wenn ein Druck der Luft (Überverdichtungs-Druck), die in den Motor 2 gepresst wird, auf oder über einen konstanten Wert ansteigt. Wenn sich das Wastegate-Ventil 12 öffnet, strömt ein Teil eines Abgases stromabwärts des Turbinenrads 8 durch den Abgas-Umgehungs-Kanal 11. Die Strömungsrate eines Abgases, das auf dem Turbinenrad 8 auftrifft, wird somit verringert. Demzufolge kann ein Überverdichtungs-Druck gesteuert werden. Der Wastegate-Mechanismus kann entweder von einem Einbau-Typ, eingebaut in der Abgasturbine 4 durch Bereitstellen des Abgas-Umgehungs-Kanals 11 am Turbinengehäuse 7 und Installieren des Wastegate-Ventils 12 am Abgas-Umgehungs-Kanal 11, oder von einem externen Typ, der unabhängig von der Abgasturbine 4 bereitgestellt wird, sein.
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Der Ansaugluftverdichter 6 weist ein Verdichterrad 14, verbunden mit dem Turbinenrad 8 über eine Turbinenwelle 13, und ein Verdichtergehäuse 15 zum Unterbringen des Verdichterrads 14 darin, auf. Wenn sich das Verdichterrad 14 in Assoziation mit Umdrehungen des Turbinenrads 8 dreht, verdichtet der Ansaugluftverdichter 6 die in das Verdichtergehäuse 15 eingeleitete Luft und presst verdichtete Luft in den Motor 2.
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Ein Luftreiniger 16 zum Filtern von Luft, die in den Motor 2 abgezogen werden soll, ist in einem Ansaugweg stromaufwärts des Ansaugluftverdichters 6 bereitgestellt. Dabei ist ein Zwischenkühler 17 zum Kühlen von im Ansaugluftverdichter 6 verdichteter Luft in einem Ansaugweg stromabwärts des Ansaugluftverdichters 6 bereitgestellt. Eine elektronische Drosselvorrichtung 18 zum Regulieren des Ansaugvolumens ist stromabwärts des Zwischenkühlers 17 bereitgestellt.
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Eigenschaften der Abgasturbine 4 der vorliegenden Offenbarung werden nun beschrieben.
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Das Turbinengehäuse 7 legt einen Scroll-Kanal 19 mit einer Schneckengestalt entlang eines Außen-Umfangs des Turbinenrads 8 fest. Wie in der 3 gezeigt, ist der Scroll-Kanal 19 durch eine Trennwand 7a in eine (erste) Seite und die andere (zweite) Seite in einer axialen Richtung (Rechts-Links-Richtung von 3) unterteilt. Die erste Seite des Scroll-Kanals 19, die durch die Trennwand 7a abgeteilt ist, wird als ein erster Scroll-Kanal 19a bezeichnet, und die zweite Seite wird als ein zweiter Scroll-Kanal 19b bezeichnet. Eine Kapazität des ersten Scroll-Kanals 19a ist ausgestaltet, um kleiner zu sein als eine Kapazität des zweiten Scroll-Kanals 19b. In der vorliegenden Offenbarung wird eine Seite (z.B. linke Seite der 3, welche der einen Seite entspricht) in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung, in der Abgas aus dem Turbinenrad 8 ausströmt, als erste axiale Seite bezeichnet, und eine Seite (z.B. rechte Seite von 3, welche der anderen Seite entspricht) in gleicher Richtung wie die Richtung, in der Abgas ausströmt, wird als zweite axiale Seite bezeichnet.
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Ein Ventil mit variabler Kapazität 20 (siehe 4), durch das sich eine Kapazität der Abgasturbine 4 mittels Anpassen einer Strömungsrate eines Abgases, das in den zweiten Scroll-Kanal 19b eingeleitet werden soll, verstellen lässt, ist an einem Einlass des zweiten Scroll-Kanals 19b bereitgestellt. Ein Ventilöffnungsgrad des Ventils mit variabler Kapazität 20 wird gemäß einem Betriebszustand des Motors 2 gesteuert. Zum Beispiel wird der Ventilöffnungsgrad herabgesteuert, wenn der Motor 2 bei geringer Drehzahl unter niedriger Last läuft, und der Ventilöffnungsgrad wird hochgesteuert, wenn der Motor 2 bei hoher Drehzahl unter hoher Last läuft. Durch das Schließen des Ventils mit variabler Kapazität 20 wird der Einlass des zweiten Scroll-Kanals 19b verschlossen, so dass ein aus dem Motor 2 ausgestoßenes Abgas allein in den ersten Scroll-Kanal 19a eingeleitet wird. Durch das Öffnen des Ventils mit variabler Kapazität 20 wird der Einlass des zweiten Scroll-Kanals 19b geöffnet, so dass ein Abgas sowohl in den ersten Scroll-Kanal 19a als auch den zweiten Scroll-Kanal 19b eingeleitet wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ventil mit variabler Kapazität 20 ein die Strömungsrate anpassender Abschnitt.
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Wie in 1 gezeigt, beinhaltet das Turbinenrad 8 eine an der Turbinenwelle 13 befestigte Nabe 21 (siehe 4) und mehrere Turbinenschaufeln 22, die auf dem Umfang der Nabe 21 bereitgestellt sind.
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Die Nabe 21 ist in solcher Weise bereitgestellt, dass ein Nabenradius, bei dem es sich um eine Höhe in radialer Richtung rechtwinklig zur Wellen-Mitte des Turbinenrads 8 handelt, in Form einer parabolischen Kurve von einer Einlass-Seite zu einer Auslass-Seite des Turbinenrads 8 für ein Abgas abnimmt.
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Ein Anstellwinkel der Turbinenschaufeln 22 unterscheidet sich zwischen der ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal 19a korrespondiert, und der zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal 19b korrespondiert.
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Ein Anstellwinkel ist, wie in der 2 gezeigt, ein Winkel, der zwischen einer Anströmkanten-Richtung und einer Referenz- bzw. Bezugslinie gebildet wird. Die 2 zeigt eine Schnitt-Form einer Turbinenschaufel 22 entlang einer longitudinalen Richtung und entspricht einem Querschnitt entlang der Linie IIa-IIa und einem Querschnitt entlang Linie IIb-IIb von 3. Die Anströmkanten-Richtung ist eine Richtung, in der eine gekrümmte Mittellinie (Linie, angedeutet durch eine abwechselnd lang- und kurz-gestrichelte Linie von 2) der Turbinenschaufel 22 in der Schaufeldicke auf einem Querschnitt entlang der longitudinalen Richtung radial nach außen von einem Schaufel-Ende aus verläuft. Kurz gesagt ist die Anströmkanten-Richtung eine tangentiale Richtung zur Mittellinie am Schaufel-Ende. Hier nachstehend wird das Schaufel-Ende auf einer Einlass-Seite der Turbinenschaufel 22 als eine Anströmkante 22a bezeichnet. Die Referenz- bzw. Bezugslinie ist eine Linie, die in einer radialen Richtung des Turbinenrads 8, beim Passieren der Anströmkante 22a, verläuft.
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In einer Beschreibung weiter unten, wird ein auf der ersten axialen Seite eingestellter Anstellwinkel als ein erster Anstellwinkel θ1 bezeichnet, und ein auf der zweiten axialen Seite eingestellter Anstellwinkel wird als ein zweiter Anstellwinkel θ2 bezeichnet.
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Ein Anstellwinkel der Turbinenschaufeln 22 wird gemäß einem relativen Einströmwinkel eines Abgases, das gegen die Turbinenschaufeln 22 geblasen wird, eingestellt. Das heißt, der erste Anstellwinkel θ1 wird gemäß einem relativen Einströmwinkel eines Abgases eingestellt, das aus dem ersten Scroll-Kanal 19a gegen die Turbinenschaufeln 22 geblasen wird, und der zweite Anstellwinkel θ2 wird gemäß einem relativen Einströmwinkel eines Abgases eingestellt, das aus dem zweiten Scroll-Kanal 19b gegen die Turbinenschaufeln 22 geblasen wird.
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Ein relativer Einströmwinkel eines Abgases ist ein Einströmwinkel eines in den Einlass der Turbinenschaufeln 22 strömenden Abgases in Bezug auf eine radiale Richtung, festgelegt auf 0° in einem Umlauf-Koordinatensystem des Turbinenrads 8. Das heißt, ein relativer Einströmwinkel ist ein Winkel β, gebildet zwischen einem relativen Geschwindigkeitsvektor und einer Bezugslinie in einem Geschwindigkeits-Dreieck, gezeigt in 5A und 5B, wobei c eine absolute Geschwindigkeit eines Abgases ist, u eine Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln 22 ist, und w eine relative Geschwindigkeit eines Abgases ist.
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Ein Anstellwinkel der Turbinenschaufeln 22 bezüglich des relativen Einströmwinkels β (siehe 5A) ist ein positiver Winkel, wenn die relative Geschwindigkeit w einen Vektor in einer Drehrichtung (eine Richtung, angezeigt durch einen Pfeil in 5A) des Turbinenrads 8 bezüglich der Bezugslinie aufweist. Unterdessen ist ein Anstellwinkel der Turbinenschaufel 22 bezüglich des relativen Einströmwinkels β (siehe 5B) ein negativer Winkel, wenn die relative Geschwindigkeit w einen Vektor entgegengesetzt einer Drehrichtung des Turbinenrads 8 bezüglich der Bezugslinie aufweist.
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In der vorliegenden Offenbarung, wenn ein positiver Winkel und ein negativer Winkel verglichen werden, werden die Winkel nicht hinsichtlich der Größe verglichen, und es wird festgelegt, dass ein Anstellwinkel, der einen positiven Winkel aufweist, größer ist als ein Anstellwinkel, der einen negativen Winkel aufweist. Wenn zum Beispiel +10 Grad und –30 Grad verglichen werden, gilt, dass +10 Grad der größere Winkel ist.
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Die Turbinenschaufeln 22 der vorliegenden Offenbarung werden in einer solchen Weise bereitgestellt, dass in Übereinstimmung mit der obigen Definition ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 größer ist als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2.
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Einige Fälle, in denen ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 größer ist als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2, werden unter Bezugnahme auf 6A bis 6G beschrieben. Unter der Vorgabe, dass durch die Pfeile in den 6A bis 6G angezeigte Richtungen eine Drehrichtung des Turbinenrads 8 sind, ist demnach eine linke Seite der Bezugslinie in jeder Zeichnung ein positiver Winkel, und eine rechte Seite der Bezugslinie in jeder Zeichnung ist ein negativer Winkel.
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6A zeigt einen Fall, in dem sowohl ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 als auch ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 positive Winkel aufweisen.
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6B zeigt einen Fall, in dem sowohl ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 als auch ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 negative Winkel aufweisen. Ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 hat einen kleineren negativen Winkel als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2, das heißt, ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 ist größer als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2.
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6C zeigt einen Fall, in dem ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 einen positiven Winkel aufweist, und ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 einen Null-Winkel aufweist.
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6D zeigt einen Fall, in dem ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 einen Null-Winkel aufweist, und ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 einen negativen Winkel aufweist.
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6E bis 6G zeigen Fälle, in denen ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 einen positiven Winkel aufweist, und ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 einen negativen Winkel aufweist. In jedem Fall ist ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1, der einen positiven Winkel aufweist, größer als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2, der einen negativen Winkel aufweist. Im Fall der 6F, wenn ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 und ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 dahingehend verglichen werden, welcher Winkel hinsichtlich der Größe der größere ist, ist ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 kleiner als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 (θ1 < θ2). In Übereinstimmung mit der obigen Definition ist jedoch ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1, der einen positiven Winkel aufweist, größer als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2, der einen negativen Winkel aufweist.
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Ein Beispiel, entsprechend dem Fall von 6E, ist in 1 und 2 gezeigt.
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Die in 1 gezeigten Turbinenschaufeln 22 werden in einer solchen Weise bereitgestellt, dass die Anströmkante 22a in einer im Wesentlichen linearen Form auf der ersten axialen Seite (untere Seite bei 1) und auf der zweiten axialen Seite ausgeformt ist. Wie in 2 gezeigt, ist der erste Anstellwinkel θ1, der einen positiven Winkel bezüglich der Bezugslinie aufweist, eingestellt, um größer zu sein als der zweite Anstellwinkel θ2, der einen negativen Winkel aufweist. In 1 und 2 gezeigte Pfeile geben eine Drehrichtung des Turbinenrads 8 an.
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Der erste Anstellwinkel θ1 und der zweite Anstellwinkel θ2 ändern sich nicht abrupt zwischen der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite, und ändern sich ebenmäßig. Genauer gesagt, ist ein Anstellwinkel, der einen Null-Winkel aufweist, zwischen der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite vorhanden. Der erste Anstellwinkel θ1 ist auf der ersten axialen Seite des einen Null-Winkel aufweisenden Anstellwinkels ausgebildet, so dass er hin zur Nabe 21 der Anströmkante 22a allmählich zunimmt. Der zweite Anstellwinkel θ2 ist auf der zweiten axialen Seite ausgebildet, so dass er mit dem Abstand zur Nabe 21 der Anströmkante 22a allmählich abnimmt (für einen negativen Winkel allmählich zunimmt). Somit kann man sagen, dass die in 1 gezeigten Turbinenschaufeln 22 in einer solchen Weise bereitgestellt sind, dass ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1, der einen positiven Winkel aufweist, größer ist als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2, der einen negativen Winkel aufweist.
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In der Abgasturbine 4 der ersten Ausführungsform wird eine kleinere Kapazität im ersten Scroll-Kanal 19a als im zweiten Scroll-Kanal 19b gebildet. Somit unterscheidet sich ein relativer Einströmwinkel eines Abgases am Einlass der Turbinenschaufeln 22 zwischen der ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal 19a korrespondiert, und der zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal 19b korrespondiert. In Reaktion auf die unterschiedlichen relativen Einströmwinkel werden verschiedene Anstellwinkel bei der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite der Turbinenschaufeln 22 gemäß dem jeweiligen relativen Einströmwinkel eingestellt. Genauer gesagt, wird der erste Anstellwinkel θ1 auf der ersten axialen Seite eingestellt und der zweite Anstellwinkel θ2 auf der zweiten axialen Seite eingestellt. Ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 wird eingestellt, um größer zu sein als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2. Folglich kann ein für einen relativen Einströmwinkel geeigneter Anstellwinkel auf jeder von der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite eingestellt werden. Somit nimmt eine Strömung entlang der Turbinenschaufeln 22 im Vergleich mit der in Patentliteratur 1 offenbarten verwandten Technik zu, und ein Verwirbelungsverlust im Turbinenrad 8 kann beschränkt werden. Dementsprechend kann die Turbineneffizienz gesteigert werden.
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Die Turbinenschaufeln 22 sind in einer solchen Weise bereitgestellt, dass die Anströmkante 22a in einer im Wesentlichen linearen Form auf der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite ausgeformt ist, und ein Anstellwinkel auf der ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal 19a korrespondiert, größer ist als auf der zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal 19b korrespondiert. Kurz gesagt, ist ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 größer als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2. Somit sind die in jener Weise, wie oben, bereitgestellten Turbinenschaufeln 22 einfacher herzustellen als in einem Fall, bei dem ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 kleiner ist als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2.
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Ein Anstellwinkel, der einen Null-Winkel aufweist, ist zwischen der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite der Turbinenschaufeln 22 vorhanden. Der erste Anstellwinkel θ1 ist so gebildet, dass er auf der ersten axialen Seite allmählich zunimmt, und der zweite Anstellwinkel θ2 ist so gebildet, dass er auf der zweiten axialen Seite allmählich abnimmt, wobei dazwischen der Anstellwinkel einen Null-Winkel aufweist. Damit soll gesagt sein, dass der erste Anstellwinkel θ1 und der zweite Anstellwinkel θ2 sich ebenmäßig verändern, wobei der Anstellwinkel dazwischen einen Null-Winkel aufweist. Daher können Turbinenschaufeln 22 bereitgestellt werden, die weniger häufig eine Stress-Konzentration verursachen und leicht herzustellen sind. Darüber hinaus, weil sich die Anstellwinkel ebenmäßig ändern, strömt das Abgas gleichmäßig, was zur Steigerung der Turbineneffizienz beiträgt.
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Im Folgenden werden hierin weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
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Abschnitte, die diese mit der obenstehenden ersten Ausführungsform gemein haben, und Konfigurationen, die die gleichen sind wie die Konfigurationen der obenstehenden ersten Ausführungsform, sind mit identischen Bezugszeichen, wie in der ersten Ausführungsform oben verwendet, gekennzeichnet, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
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(Zweite Ausführungsform)
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Wie in 7 gezeigt, ist eine zweite Ausführungsform ein Fall, bei dem die Anströmkante 22a von Turbinenschaufeln 22 in einer Umfangsrichtung zwischen einer ersten axialen Seite (untere Seite von 7) und einer zweiten axialen Seite versetzt ist. Genauer gesagt, ist eine Umfangsposition der Anströmkante 22a näher zu einer Seite in einer entgegengesetzten Drehrichtung auf der ersten axialen Seite, die einen ersten Anstellwinkel θ1 aufweist, bereitgestellt, als auf der zweiten axialen Seite, die einen zweiten Anstellwinkel θ2 aufweist. Es sei angemerkt, dass, wie in der obenstehenden ersten Ausführungsform, ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 eingestellt ist, um größer zu sein als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2.
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Gemäß der obigen Konfiguration ändern sich der erste Anstellwinkel θ1 und der zweite Anstellwinkel θ2 abrupt zwischen der ersten axialen Seite und der zweiten axialen Seite. Somit kann ein größerer Winkelunterschied zwischen einem Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 und einem Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2 eingestellt werden.
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(Dritte Ausführungsform)
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Wie in 8 gezeigt, ist eine dritte Ausführungsform ein Fall, in welchem Turbinenschaufeln 22 mit einer Trennplatte 23 bereitgestellt sind.
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Die Trennplatte 23 ist in einer solchen Weise bereitgestellt, dass ein durch den ersten Scroll-Kanal 19a gegen die Turbinenschaufeln 22 geblasenes Abgas auf einer ersten Seite, und ein durch den zweiten Scroll-Kanal 19b gegen die Turbinenschaufeln 22 geblasenes Abgas auf einer zweiten Seite, unabhängig voneinander strömen. Damit soll gesagt sein, die Trennplatte 23 ist so vorgesehen, dass sie sich von der Anströmkante 22a zu einer Schaufelhinterkante 22b in einem Raum zwischen jeden zwei in Umfangsrichtung nebeneinander bereitgestellten Turbinenschaufeln 22, erstreckt. Die Schaufelhinterkante 22b ist ein Schaufel-Ende auf einer Auslass-Seite der Turbinenschaufeln 22.
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Bei einer Ausgestaltung in der Weise, wie oben, behindern sich ein Abgas auf der ersten Seite und ein Abgas auf der zweiten Seite weniger häufig, und die Diffusion von Abgas aus der ersten Seite zur zweiten Seite oder umgekehrt kann beschränkt werden. Folglich kann die Turbineneffizienz gesteigert werden. Darüber hinaus kann eine Auswirkung durch eine Verstärkungsrippe für die Turbinen 22 erwartet werden, durch das Bereitstellen der Trennplatte 23.
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(Vierte Ausführungsform)
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Wie in 9 gezeigt, ist eine vierte Ausführungsform ein Fall, bei dem eine ortsfeste Düse an Auslässen des ersten Scroll-Kanals 19a und des zweiten Scroll-Kanals 19b bereitgestellt ist. Ein Anstellwinkel der obigen ersten Ausführungsform oder zweiten Ausführungsform kann bei einem Anstellwinkel θ der Turbinenschaufeln 22 der vorliegenden Ausführungsform Anwendung finden.
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Als ortsfeste Düse ist eine erste ortsfeste Düse 24 an einem Auslass des ersten Scroll-Kanals 19a bereitgestellt und eine zweite ortsfeste Düse 25 an einem Auslass des zweiten Scroll-Kanals 19b bereitgestellt. Eine Düsenplatte 26 ist zwischen der ersten ortsfeste Düse 24 und der zweiten ortsfeste Düse 25 eingefügt. Das heißt, die erste ortsfeste Düse 24 ist auf einer ersten axialen Seite angeordnet und die zweite ortsfeste Düse 25 ist angeordnet auf einer zweiten axialen Seite, wobei sich die Düsenplatte 26 dazwischen befindet. Die Düsenplatte 26 isoliert die erste ortsfeste Düse 24 von der zweiten ortsfesten Düse 25 in einer axialen Richtung, damit ein durch die erste ortsfeste Düse 24 hindurchtretendes Abgas und ein durch die zweite ortsfeste Düse 25 hindurchtretendes Abgas unabhängig voneinander strömen.
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In jeder von der ersten ortsfeste Düse 24 und der zweiten ortsfesten Düse 25 sind mehrere Düsenleitbleche bei vorbestimmten Intervallen in einer Umfangsrichtung angeordnet. Ein Kehlgebiet der ersten ortsfeste Düse 24 ist kleiner als ein Kehlgebiet der zweiten ortsfesten Düse 25 ausgebildet. Ein Kehlgebiet ist ein Minimum-Durchgangsgebiet, gebildet zwischen zwei in der Umfangsrichtung nebeneinander gefluchteten Düsenleitblechen. Zum Beispiel kann ein Kehlgebiet kleiner ausgestaltet werden durch Bereitstellen einer größeren Anzahl von Düsenleitblechen bei der ersten ortsfesten Düse 24 als bei der zweiten ortsfesten Düse 25 oder durch radiales Schrägstellen von Düsenleitblechen bei einem größeren Winkel in der ersten ortsfesten Düse 24 als in der zweiten ortsfesten Düse 25. Bei Vorliegen einer Konfiguration in der Weise, wie oben geschildert, wird eine Strömungsrate eines durch die erste ortsfeste Düse 24 hindurchtretenden Abgases geringer werden als eine Strömungsrate eines durch die zweite ortsfeste Düse 25 hindurchtretenden Abgases.
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Gemäß der obigen Konfiguration wird die Strömungsrate(n) eines Abgases an der ersten ortsfesten Düse 24 und der zweiten ortsfesten Düse 25 verringert. Daher ist es nicht notwendig, eine Kapazität des ersten Scroll-Kanals 19a kleiner als eine Kapazität des zweiten Scroll-Kanals 19b auszugestalten. In anderen Worten, können eine Kapazität des ersten Scroll-Kanals 19a und eine Kapazität des zweiten Scroll-Kanals 19b gleich sein. Demgemäß, im Vergleich zu einem Fall, bei dem eine Kapazität des ersten Scroll-Kanals 19a kleiner ausgestaltet ist, kann ein Reibungsverlust wegen einer Oberflächenrauigkeit des Turbinengehäuses 7 verringert werden. Somit kann die Turbineneffizienz gesteigert werden.
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Ferner ist die Düsenplatte 26 zwischen der ersten ortsfesten Düse 24 und der zweiten ortsfesten Düse 25 eingefügt. Daher behindern sich ein durch die erste ortsfeste Düse 24 hindurchtretendes Abgas und ein durch die zweite ortsfeste Düse 25 hindurchtretendes Abgas nicht. Folglich können voneinander unabhängige Strömungen durch die erste ortsfeste Düse 24 und die zweite ortsfeste Düse 25 gebildet werden.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Eine fünfte Ausführungsform ist ein Fall, bei dem ein Turbinenradius der Turbinenschaufeln 22 sich zwischen einem Bereich, die mit dem ersten Scroll-Kanal 19a korrespondiert, und einem Bereich, die mit dem zweiten Scroll-Kanal 19b korrespondiert, unterscheidet. Ein Turbinenradius bedeutet einen Abstand von einer Wellen-Mitte des Turbinenrads 8, angedeutet durch eine abwechselnd lang- und kurz-gestrichelte Linie in der 10, zur Anströmkante 22a der Turbinenschaufeln 22.
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Eine spezifische Konfiguration der fünften Ausführungsform ist in 10 gezeigt.
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Die Turbinenschaufeln 22 sind in einer solchen Weise bereitgestellt, dass ein Turbinenradius auf einer ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal 19a korrespondiert, groß ist, und auf einer zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal 19b korrespondiert, klein ist. Das heißt, wenn ein Turbinenradius eines dem ersten Scroll-Kanal 19a entsprechenden Bereichs ein erster Radius r1 ist, und ein Turbinenradius eines dem zweiten Scroll-Kanal 19b entsprechenden Bereichs ein zweiter Radius r2 ist, dann wird, wie in 10 gezeigt, ein Verhältnis hergestellt, dass der erste Radius r1 größer ist als der zweite Radius r2.
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Bei Vorliegen einer Konfiguration in der Weise, wie oben geschildert, können relative Einströmwinkel eines Abgases an einem Einlass der Turbinenschaufeln 22 auf der ersten axialen Seite, die mit dem ersten Scroll-Kanal 19a korrespondiert, und auf der zweiten axialen Seite, die mit dem zweiten Scroll-Kanal 19b korrespondiert, nahe beieinander sein. Somit kann das Auftreten von Turbulenz oder Abdrosselung zu einem weiteren Maße eingeschränkt werden als in den jeweiligen obigen Ausführungsformen, und ein Verwirbelungsverlust im Turbinenrad 8 kann beschränkt werden. Folglich kann die Turbineneffizienz erhöht werden.
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(Modifikationsbeispiele)
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In der ersten obigen Ausführungsform ist der erste Scroll-Kanal 19a auf der ersten axialen Seite festgelegt, und der zweite Scroll-Kanal 19b ist auf der zweiten axialen Seite festgelegt. Allerdings ist die vorliegende Offenbarung auch auf eine Konfiguration anwendbar, in der die Stellungen des ersten Scroll-Kanals 19a und des zweiten Scroll-Kanals 19b vertauscht sind. In einem solchen Fall wird der zweite Anstellwinkel θ2 auf der ersten axialen Seite der Turbinenschaufeln 22 eingestellt und der erste Anstellwinkel θ1 wird auf der zweiten axialen Seite eingestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass, wie in der obigen ersten Ausführungsform, ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 so eingestellt wird, dass er größer ist als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2.
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Die vorliegende Offenbarung ist auch auf einen Fall anwendbar, in dem der erste Scroll-Kanal 19a und der zweite Scroll-Kanal 19b eine gleiche Größe und eine gleiche positionsmäßige Beziehung aufweisen. In einem solchen Fall kann ein Unterschied von Einströmwinkeln, der aus Produktionstoleranzen entsteht, korrigiert werden.
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In der obigen vierten Ausführungsform wird ein Kehlgebiet in der ersten ortsfesten Düse 24, angeordnet auf der ersten axialen Seite, kleiner ausgestaltet als in der zweiten ortsfesten Düse 25, angeordnet auf der zweiten axialen Seite. Jedoch findet die vorliegende Offenbarung auch Anwendung bei einer Konfiguration, in der ein Kehlgebiet in der zweiten ortsfesten Düse 25 kleiner ausgestaltet wird als in der ersten ortsfesten Düse 24. In einem solchen Fall wird ein erster Anstellwinkel θ1 auf der zweiten axialen Seite der Turbinenschaufeln 22, die mit der zweiten ortsfesten Düse 25 mit einem kleinen Kehlgebiet korrespondiert, eingestellt, und ein zweiter Anstellwinkel θ2 wird auf der ersten axialen Seite, die mit der ersten ortsfesten Düse 24 mit einem großen Kehlgebiet korrespondiert, eingestellt. Wie in der obigen ersten Ausführungsform, wird ein Durchschnittswert des ersten Anstellwinkels θ1 so eingestellt, dass er größer ist als ein Durchschnittswert des zweiten Anstellwinkels θ2.
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Während die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung soll verschiedene Modifikationen und entsprechende Anordnungen abdecken. Ferner liegen dabei die verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen, andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Element(e) beinhalten, ebenfalls innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung.
