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"Abgas- - Turbolader für die integrierte Angliederung an Fahrzeugmotoren
".
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Beschreibung: Die Erfindung betrifft Abgas-Turbolader (ATL), speziell
konzipiert für die integrierte Angliederung an PKW- (LKW-) Motoren, insbesondere
an solche, deren Ventil~ Anordnungen im ZylinderkoDf kürzestmögliche Auspuff-und
Ladeluftleitungen ergeben, mit im Gerät eingegliederten abgas-und ladeluftseitigen
Einrichtungen, die herkömmlich getrennt vor oder nach dem ATL angeordnet sind, wobei
der Verdichter-Bereich in zwei Versionen für mäßige und höhere Aufladegrade (ohne
- und mit Ladeluft- Kühleinrichtunyen) ausgestattet sein kann, bei jeweils einheitlichem
Turbinen-Bereich.
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Die Abgas~ Turbo-Aufladung bietet sich bei allen Verbrennungsmotoren
als eine sinnvolle Ergänzung zur Leistungssteigerung und Erhöhung der Gesamt-Effizienz
an, und ist bei solchen Motoren standardmäßig im Gebrauch, deren Verbrennungsverfahren
mit Luftüberschüssen (Diesel- ) cen höchsten Grad der Kraftstoff-Ausnutzung, bei
gleichzeitig hohen und höchsten Mitteldrükken, erbringen. Eine entsprechende Standardisierung
der ATL-Aufladung bei LKW-und PKW-Motoren ist längst überfällig, sie erfolgt nur
zögernd und ist behindert durch die ungünstige und sperrige Bauart, der bekannten
hierfür angebotenen ATL-Ausführungen, deren Unterbringung oft nicht möglichist.
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Der pragmatische Anspruch, die endlichen Vorräte der fossilen flüssigen
Energieträger dem mobilen Verkehrsbereich vorzubehalten, kann nur erhoben erden
und überzeugend vertreten, wenn auf der Entwicklungsseite alle öglichkeiten zur
Optimierung der Kraftstoff-Ausnutzung bei der motorischen Verbrennung wahrgenommen
werden. Es ist evident, daß auch bei der motorischen
Verbrennung,
analog zu allen Verbrennungsprozessen bis zum " " Hausbrand der Luftüberschuß die
Voraussetzung bildet, nicht nur einer Ootimierung der Kraftstoff~ Ausnutzung, sondern
auch, um die schädlichen Emissions-Anteile der Abgase und die Rußbildung zu mindern,
bzw. in erträglichen Grenzen zu halten. Die obligate Abgas-lurbo-Aufladung der angesprochenen
Motoren, würde zwei der akutesten Probleme in positivem Sinne beeinflussen, und
beitragen, die gesundheitsklimatischen und umweltbelasterden Verhältnisse in den
großen Bereichen der Ballungsräume und Verkehrsschneisen zu bessern, und die endlichen
Energie-Vorräte erheblich zu strecken.
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Allen in Betracht kommenden bekannten ATL- Beuarten ist eine gewisse
Sperrigkeit gemeinsam, weil Turbine und Verdichter, durch den zwischenliegenden
1- Sammelraum, in größerer Distanz getrennt sind, und mittels einer Welle verbunden,
wodurch der Läufer (Rotor) ein diffiziles Schwingungssystem bildet (zwei elastisch
gekoppelte Massen). Die Lagerungen der Läufer bestehen aus druckölgeschmierten schwimmenden
Büchsen, mit Dichtungseinrichtengen zu den Luft und Gasräumen, die eine größere
Schräglage des ATL, oder gar eine Aufrichtung zu einer vertikalen Rotorachse, wie
sie eine organische Angliederung voraussetzen würde, ausschließen, weil dabei der
Ö1- Sammelraum turbinenseitig unten zu liegen kommt, dessen sichere Abdichtung bei
der gegebenen Hochtouriokeit, mit angemessenen Mitteln, nicht machbar ist.
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Bekanntlich ist nur ein mehr oder weniger großer Anteil der anfallenden
Auspuff-Energie erforderlich, um den gewünschten Ladedruck zu produzieren; es ist
üblich, eine ladedruckabhängig gesteuerte Abzweigung (Umgehungsventil) vor der Turbine
zuordnen; alle Abgase werden in einem sammelrohr zunächst der Turbine zugeführt,
bis der gewünschte Ladedruck erreicht ist, dann erst werden die überschüssigen Abgase
durch das vorgeschaltete Umgehungsventil abgezweigt, und mit dem Abgas aus der Turbine
vereinigt, dem Auspufftopf zugeleitet. Nachteile: Die Zusammenführung aller Auspuffstränge
in einem Sammelrohr, vor der Turbine, erfordern mehrere Umlenkungen der Gase, bei
entsprechenden Einbußen des Stoßeffektes der Auspuff-Impulse; zusätzlicher Raum-und
Gewichtsbedarf für das Umgehungsventil und dessen ladedruckabhängiger Steuer-Einrichtung.
Besonders lëstig, und unter Umständen Kritisch, sind die mit diesen bekannten Bauarten
verbundenen Verzögerungen bei der Leistunssqnforderuna (Akzeleration) im Fahrverkehr,
wegen relativ großer Massen des Rotors, die den zunehmenden Abgas-Impulsen nur träge
folgen, und wegen der lanzen Abgas- und Luftleitungen, vor der Turbine und zwischen
Verdichter
und Motor, mit entsprechend großen Auffüll-Voluminas
(- Zeiten), jedoch bei leichten Fahrzeugen (PKW), die Präsenz der angeforderten
höheren Leistung, zum raschen Reagieren unerläßlich ist, um im Verkehr auftretende
kritische Situationen, ohne Gefährdungen, meistern zu können; darüberhinaus besteht
bei allen bekannten ATL- Kombinationen mit nachgeordnetem Ladeluft-Rückkühler, zwischen
dem angehobenen Leistungspotential des Motors: und einer weiteren Verzögerung bei
der Leistungsanforderung. ein unlösbares Dilemma, zufolge der zusätzlich erforderlichen
großen luftseitigen Leitungslangen, bzw. Auffüll-Voluminas.
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Dem Abgas-Turbolader gemäß der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Motor-Aufladung, unabhängig von der Fahrzeuggröße
(Motorgröße) zu attraktivieren und zu ermöglichen, sei es im Hinblick euf höhere
erzielbare Mitteldrücke (Leistungen), und Verringerung der Leistungsgewichte, oder
auf Umstellungen von Gemischansaug- (Otto- ) Verfahren, in wesentlich wirtschaftlichere
LuftüberschuB - (Diesel- ) Verbrennungsverfahren, bei Einhaltung der Leistungsgewichts,
indem durch Einführung einer gedrungenen Bauart eines luft-"geschmierten"Rotorlagers
eine kompakte Einheit eines ATL ermöglicht wird, die alle notwendigen Einrichtungen
einschließt, zur Erreichung und Einhaltung des gewünschten Lade--druckes ab einem
möglichst niederen Drehzahlbereiches des Motors, sowie die Möglichkeit einer internen
teilweisen Ladeluft-Rückkühlung die des Gerät, Alles in Allem, zur organischen Ancliederung
an Motoren, im zentralen Sereich des Gaswechsels, bei kürzestmöglichen Auspuff-und
Ladeluft-Leitungen, prädestinieren, wcbei die kurzen Leitungen, in Verwindung mit
einer kleinen Rotor-Masse, die Präsenz der Akzeleration im Fahrverkehr gewährleisten.
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Die Zielsetzung und Lösungen dieser komplexen Auf-abenstellung begründen
und umgrenzen die Einheitlichkeit des Erfindungsgegenstandes, wobei die Lösungen
in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 aufgeführt, und deren weitere
Ausgestaltungen in den Ansprüchen 2 bis a kennzeichnend oeschrieben sind.
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Die Einbeziehung des Erfindungsgegenstandes in die evolutionäre Weiterentwicklung,
zeigen und eröffnen eine angemessene Möglichkeit, die Motoren der Mobilen- Verkehrsmittel
allgemein auf den vorangeschrittenen effizientesten Stand der Technik des Motorenbaues
aufzuschließen, und die aus den kennzeichnenden
Mekmalen abstrahierten
Vorteile, gegenüber den bisher bekannten ATL Bauarten, erschöpfen sich nicht nur
in der besonderen Attraktivierung der Abcas- Turbo - Aufladung, oder, in Verbindung
mit Diesel-Verbrennungsverfahren, in der anerkannten Tatsache der unbedenklich geringen
toxischen Anteile im Abgas, zufolge großer Luftüberschüsse und Begrenzung des Temoeraturniveaus
bei der Verbrennung, sondern, seine beispiellos kompakte Bauart, die alle zusätzlich
notwendigen Einrichtungen einschließt, und seine relevante Platzierung, cuasi unmittelbar
"ante oortas " der taktmäßigen Folgen der Gaswechsel- Vorgänge, ergeben eine bisher
bei Abgas -Turbo-Aufladungen nicht erreichbare Präsenz des Beschlaunigungs-Impulses
(Åkzeleration) im Fahrverkehr, was einen hohen Sicherheitsfaktor bedeutet.
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Darüberhinaus eröffnen sich neue Aspekte, durch die vom Gesetzgeber
beschlossene und eingeleitete Umstellung der umweltbelastenden bleihaltigen-in bleifreie
Benzine für die pemischensaucenden Ottomotoren, in Verbindung mit nachgeordneten
(Ausoufftoof-) Katalysatoren, zur chemischen Neutralisierung der toxischen Anteile
der Auspuffgase, deren Einführung bzw. Umstellungen erhebliche finanzielle Aufwendungen
bedingen. die fast die Größenordnung der Differenz zwischen Ottomotoren und aufgeladenen
Dieselmotoren (gleicher Leistungen) erreichen, wobei sich bei Letzteren exakt eine
Amortisation errechnen läßt, aus ca 1/3 geringeren Kraftstoff-Verbrauch (Lt/100Km)
und billigerem Diesel-Kraftstoff, dagegen bei Ersterem eine Leistungsminderung und
noch hcherer Verbrauch (gr/PS/h), wegen des reduzierten Verdichtungsverhältnisses,
hingenommen werden muß, sowie eine zusätzliche Wartung und peridische Erneusrung
des Katalysators. Diese unterschiedlichen Wertungen bilden den großen Anreiz zur
Abkehr von den verbrauchsungünstigen Gemischansaug-und Hinwendung zu den wirtschaftlich
weit überlegenen und toxisch unbedenklichen Luftübrschuß-Verbrennungsverfahren,
um dreinst dehinzukammen, in der Summe, den beträchtlichen Anteil des Automobilen-Verkehrs
am Gesamt-Kraftstoff-Umsatz, ohne Minderung an produzierten Leistungen, um ca 1/3
zu senken, bzw. die Vorräte entsorechEnd zu strecken.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindunoscemanen
ATL baziehen sich auf einen Vierzylinder-Motor von 2 bis 2, Lt. Hubvolumen, dessen
Ventile im Zylinderkopf jeweils spiegelbildlich zum benechsatten Zylinder angeordnet
sind, so, daß die Auslaßkanale der Zyl. 2 u. 3, und die Einlaßkanäle aller a Zyl.
jeweils paarweise nebeneinander, und von Zyl. 1 0.4 die Auslaßkanäle einzeln von
den Ventilen nach außen führen (beim
Sechszylinder-Motor Einlaßkanäle
von Zyl. 1 u. 6 einzeln), und bei gerader Zylinderzahl ein symmetrisches Schema
der Kanalfront entsteht, wobei das mittlere Kanalpaar Auslaßkanäle sind, in deren
Symmetrie-Ebene der ATL angeordnet ist, vorzugsweise so geneigt, daß die Ebene des
Turbinen- Spiralkanals etwa in der geradlinigen Verlängerung der Auslaßkanäle im
Zylinderkopf liegt.
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Die Ausgesteltung der kennzeichnenden Merkmale des aTL gemäß der Erfindung,
sind in den Fig. 1 bis 4, und das Beispiel den integrierten Angliederung des ATL,
in der Ausführung für höhere Aufladegrade, an einem bekannten Vierzylinder-PKW-Dieselmotor,
bei gegebenen Ventil-bzw. Kanalanordnungen, ist in den Fig. 5 bis 7 im Maßstab 1:1,5
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt den Schnitt durch den komoletten ATL, in der Ausfahrung
fWr bäßige Aufladegrade.
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Fig. 2 Schnitt durch die Verdichter-Einheit für höhere Aufladegrade,
mit unterschiedlichen Beispielen (links-und rechtsseitig) der Kühleinrichtungen
im Diffusor-Bereich und darüberhinaus, zur Teil-Rückkühlung der Ladeluft.
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Fig. 2a Beispiek der Ladeluft-Kühlung im zylindrischen Ringraum im
Anschluß an den Diffusor, mittels lamellenartiger Flächen, im mittelbarem Kontakt
zu einem Kühlmittel-kreilauf-System.
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Entsprechend der zentralen Bedeutung der Rotor-Lagerung, einer speziellen
Konstruktion eines Luftlagers, ist In Fig. 2b im Maßstab 2 : 1, der komplett im
Lagerkörper montierte Rotor dargestellt.
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Fig. 3 u. 4 Draufsicht und SEitenansicht der Turbinen-Einheit, jeweIls
mit der Darstellung des über eine Gabelwippe ladedruckabhängig gesteuerten Verstell
- Mechanismus des Auspuff - Beipaß - Bingventils.
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Das Beispiel der integrierten Angliederung des ATL a Motor: Fig. 5
Seitenansicht entgegen der Fahrtrichtung gesehen; Blickrichtung T: Grundriß Turbinen-Spiralgehäuse
mit Einmündungen der 4 Auspuffkanäle.
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Fio. 5 Ansicht von der "Irotteri" -Seite gesehen.
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Fig. 7 Draufsicht auf den ATL, cit Auspuff und Ladeluftleitungen;
Teilschnitte A - 3 und C - D, Kühlmittel- Zu - und Ableitung, scwie Kühlmittel-Zirkulationspumpe.
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In den Figuran 1 bis 4 bedeuten: VI = Verdichter-Einheit für mäßige
Aufladegrade (bis ca 1m6 bar abs.); VII = Verdichter-Einheit für höhere Aufladegrade
(bis ca 2,2 bar abs.); T = Turbinen-Einheit, einheitlich für VI und VII; R = Rotor-Einheit
komnlett im Lagerkörper montiert; S = Luftspalt zwischen Verdichter-und Turbinen-Sereich.
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VI (s. Fig. 1) Verdichter-Einheit für mäßige Aufladegrade, bestehand
aus dem scheibenförmigen Diffusor-Ringspalt (7), welcher von der Diffusor-Ausßenschale
(7a) und Deckscheibe (7b) flankiert 5zw. gebildet ist, der in den Spiralkanal (8)
einmündet, aus welchem, am Ende des Spiralkanals, die Ladeluft durch zwei Austritts-Krämmer(8a,
8a'), den je paarweise im Motor-Zylinderkopf (9) nebeneinander verlaufenden Einlaß
Einlaßkanälen (E) zugeführt wird (siehe auch Fig. 5, 6, u. 7).
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VII (s. Fig. 2) Verdichter-Einheit für höhere Aufladegrade, mit integrierter
Teil-Rückkühlung der Ladeluft, in mehreren Ausführungsbeispielen.
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Die Ladeluft-Kühlung erhöht die Luftwichte, bzw. das dem Motor zugeführte
Luftgewicht und Leistungspotential, sie ist Bestandteil jeder Abgas-Turbo-Aufladung
höherer Aufladegrade, womit auch das Temperaurniveau des Verbrannungsprozesses begrenzt,
und die Bildung der toxischan NO - Anteile bei der Lxioetion hintangehalten werden.
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Die erfindungsgemäße Ladeluft-Kühlung bedient sich der verfahrensbedingten
hohen Luftgeschwindigkeitan nach Passieren des Schleuderrades, um im Diffusorspalt,
bei der Umsetzung dieser Geschwindigkeiten in Druck, wie auch in der arschließenden
Verlängerung des um 90° umgelegkten Luftspaltes, durch Ausnutzung der entsprechend
hohen Wärmeübergangs-Faktoren, einen intensiven Kühleffekt bei geringem Raumbedarf
zu erzielen, oder mittels Einriohtunnen enentlich vergrößerter gekühlter Oberflächen,
im zylindrischen Ringraum, im Anschluß an den Diffusor.
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In Fig. 2 linke Seite, ist abweichend von seiner normalen scheibenförmigen
Ausführung, der Diffusor (10) verlängert und in sanftem Bogen 90° umgelenkt, dessen
Wände, in ganzer Ausdehnung, von entsprechend geformten Kupferblech-Schalen (11)
gebildet, bzw. ausgekleidet sind, die außenseitig (11a) von einem separaten geschlossenen
Kühlmittel-Kreislauf, von möglichst niederem Temparatirniveau, beaufschlagt und
gekühlt sind, dessen Kühlmittel-Rückkühler, an geeigneter Stelle im Zuge er Motorraum-
Durchlüftung angeordnet ist.
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Alternativ hiergegen sind in Fig. 2 rechte Seite, zur Erhöhung des
Kühleffektes, die luftbeaufschlagten Oberflächen wesentlich vergrößert, indem im
zylindrischen Rincraum, des in Anschluß, an den Diffusor umgelenkten Luftspaltes,
Kupferdraht-Flechtwerk (11b), oder Blachstanz-Gitter (11c), zwischen die gekühlten
Wände weich eingelötet, oder wie in Fig. 2a, einem Kranz lamellenartiger Kupferbleche
(11d). Die zugehörige Zirkulationspumpe (12) (s. Fig. 7, Schnitt A- 6) dieses separaten
Kühlmittel- Kreislaufes, kann durch eine vom Ladedruck (-Strahl) angetriebene Luftturbine
(s. auch Fig. 2) betrieben sein, die im Spiralkanal - Abschlußdeckel platziert ist,
so, daß das Kühlmittel unmittelber aus den beiden Kühlmittelräumen (11a) angesaugt,
und zum Kühlmittel- RIickkübler weitergefördert 012b), und gegenüberliegend, vom
Rückkühler kcmmend(12c), wieder in die Kühlmittelräume ( (11a) eingeleitet wird.
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Zur Aktivierung des Beschleunigungs- Intervalls beim Start, bzw. von
der Ampel weg, dient ein Luftventil (13), welches vom Ansaug- Unterdruck des Motors
leicht angehoben wird, und zwischen dem Luft-Ansaugschacht vor dem Verdichter, und
dem Spiralkanal der Ladeluft, angeordnet ist, und der vom Motor-Luftfilter ankommenden
Luft, unter Meidung des Umweges über die Engpässe Verdichterrad-Diffusor, den direkten
Zugang eröffnet, zu den beiden Ladeluft-Kanälen (8a, 8a'), die zu den Einlaß-Ventilen
des Motors führen, bis die Rotor-Drehzahl, infolge der zunehmenden Auspuff-Energie,
aufgeholt hat, und der entstehende Überdruck das Ventil wieder schließt, und das
Ventil auf einer radial in den Spiralkanal (8) hineinragenden Achse (13a) zentrisch
geführt ist, und unter leichter (Schließ-) Federspannung steht.
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T-Turbinen-Einheit (Fig. 1, 3 u. 4), eine unabhängige Montage-Gruppe,
einheitlich für Verdichter VI und VII, besteht aus dem Auspuff-Spiralkanal (14),
in welchen die Auspuffkanäls dr mittleren Zylinder (A2 und A3) unmittelbar, im Drehsinn
der Turbine beigelnkt, einmünden, dagegen münden die Kanäle der entfernteren Zylinder(Al
und Aa) einzeln , oder beim Sechszylinder-Motor (A1-A2 und A5-A6) paarweise zusammengeführt,
von beiden Seiten sinngemäß in den Spiralkanal. Zentrisch zur Turbinenschse ragt
von unten der Ventilkörper (15) in das Spiralgeheuse, in welchem das Turbinen-Umgehungsventil
(15a) als Ringventil einliegt und geführt ist, und ein aufgenieteter Düsenring (15b)
die Ausouffströme aus dem Spiralkanal teilt zwischen Turbiner-und Ventil-Beaufschlagung,
in Abhängigkeit von der ladedruckabhängig gesteuerten Ventil-Stellung, indem eine
Gegelwisse (16) (Fig. 3 u. 4) zwischen cem Ventil und einem außenliegenden Verstellkolben
(17) die Bewegungen dieses Kolbens auf das Ventil überträgt, etwa wenn der hergeleitete
Ladedruck
eingestellte Federkraft überwiegt, bestimmt der Weg des
Verstell-Kolbens die Stellung des geöffneten Bingventils, und hält den gerönschten
Ladedruck, innerhalb einer gewissen Toleranz. konstant.
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Die Rotor-Einheit (s. Fig. 2b), ebenfalls eine unahängige Montage-Einheit,
ist im Lagerkörper komolettiert, einschließlich Verdichter-und Turbinenrad, und
bildet die Verbindung zwischen V- und T-Einheiten, indem beim Zusammenbau des ATL,
die Rotor-Einheit als zentrierendes Zwischenglied eingefügt, und durch einen 2und
lagefixiert ist.
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Es bedeuten im Einzelnen: Rotorachse (1) mit dominierender, in der
Symmetrie-Ebene der Lagerung liegenden mitrotierenden Dämpfungsscheibe (1a), mit
beidseitig anschließenden zylindrischen Lagerzapfen (1b), und den zugehörigen Lagerbuchsen,
deren Anlaufscheiben (2 u. 2a) mittels drei am Umfang, unmittelbar außerhalb der
Dämpfungsscheibe angeordneter Abstandsbolzen (2b), die Distanz mit dem funktionsgemäßen
Lagerspiel (Luftspalt) zwischen den Laufflächen fixieren. Die verdichterseitige
Lagerbuchse (2) bildet die Trennwand zwischen dar Druckluft ("Schmier"- Luft) und
turbinenseitiger Abluft; sie ist am Außenumfang über eine hochelastische (Gummi-)
Ringscheibe (2b) im Lagerkörper (3) quasi aufgehängt, dessen Abstimmung die kritische
Drehzahl (Resonanz-Drehzahl) in den unteren Drehzahlbereich verlagert, der bei der
Anfahr-Beschlaunigung nur kurz durchfahren wird; turbinenseitig stützt sich dagegen
der Lagerverbund in der Nabenbohrung zentrierend ab. Die "Schmier"-Luft gelangt
durch mehrere radiale Schrungen (2d) in die den beidseitigen Gleitflächen der Dämpfungsscheibe
vergelagerten Ringräme (2e), und von dert, unter der Einwirkung der Rotation, in
beideeitig deckungsgleiche spiralige Verteilernuten (4a'), so daß beim Ausgleiten
der Luft, durch Quetschwirkungen der konvergierend auslaufenden, hochrotierenden
Gleitflächen, gegeneinander gerichtete dyramische Druckpolster in den Lagerspalten
hervorgerufen werden, die weren ihrer relativen Großflächigkeit in der Lage sind,
das Rotorgewicht zu tragen, und den auftretenden Wechselkräften, ohne Flächenberührugen
stand zu halten, und Gleichgewichtigkeit einpendeln (Dämpfungssffekt). Turbinenrad
(4) und Verdichterrad (5) sind beidseitig an den Lagerzaofen zentriert und in sie
anschließenden Gewinde-Enden eingeschraubt; die Rechtsgärgigkeit der gegeneinander
gerichteten Gewinde, synohren mit der Turbinen-Drehrichtung, bewirken, bei jedem
Beschleunigungs-Impuls der Auspuffgasse auf das Turbinenrad, zufolge der Irägheit
der sekundären Massen, reaktionsmäßig, ein Festziehen beider Schraubverbindungen.
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-L e e r s e i t e-