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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader mit einer variablen
Düsenvorrichtung.
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Nach
dem Stand der Technik sind Turbinen von Turboladern für Brennkraftmaschinen
bekannt, die eine variable Düsenvorrichtung
mit einer ringförmigen
Anordnung von Leitschaufeln aufweisen, die zwischeneinander eine
Vielzahl von Düsendurchlässen ausbilden.
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In
dem Dokument US-4 242 040 ist ein Turbolader mit einer variablen
Düsenvorrichtung
mit verstellbaren Leitschaufeln offenbart. Die variable Düsenvorrichtung
weist insbesondere einen Verstellring auf, der mit radial geneigten
Nuten zum Aufnehmen von Leitschaufelteilen versehen ist. Die Seite
jeder Leitschaufel, die der dem Verstellring zugewandten Seite entgegengesetzt
ist, hat einen Stift, der in einem korrespondierenden Loch des Turbinengehäuses derart
drehbar gestützt
ist, dass sich die Stifte der Leitschaufeln frei in den jeweiligen
Löchern
des Turbinengehäuses
drehen können,
wenn die Neigung der Leitschaufeln durch eine Drehung des Verstellrings
verstellt wird. Der Verstellring wird durch einen Betätigungsmechanismus
betätigt.
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Gemäß dem weiteren
Dokument GB-861 630 ist eine Halterung von drehbaren Flügeln für den Diffusor
eines Kreiselverdichters bekannt. In dieser Konstruktion werden
die schwenkbaren Stifte der Leitschaufeln durch eine ringförmige, verschiebbar montierte
Wand gehalten, die durch einen Pressring gegen die gegenüberliegende
Wand des Diffusors gedrückt
wird, wodurch eine dichte Anordnung der Leitschaufeln in der Düse erreicht
wird, die zwischen den beiden Wänden
ausgebildet ist. Der Pressring wird durch eine Vielzahl von Federn
gedrängt,
die in jeweiligen Löchern
des Turbinengehäuses
aufgenommen sind.
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Gemäß dem weiteren
Dokument WO-A1-0 244 527 ist ein Turbolader mit einer Turbine bekannt, der
einen zylindrischen Kolben auf der Seite des Turbinengehäuses aufweist.
Der zylindrische Kolben ist axial beweglich, um den Querschnitt
einer Abgasdüse
zu ändern,
in der verstellbare Leitschaufeln eingefügt sind. Mittels dieser Anordnung
können
die Geometrie- und Strömungscharakteristika
der Düsendurchlässe verändert werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Turbolader mit
einer variablen Düsenvorrichtung
bereitzustellen.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, dass der Betrieb von Turboladern
mit variabler Düse
sehr oft zu dem Spaltverlust zwischen einer Düsenfläche, die durch das Turbinengehäuse ausgebildet
ist, und einem Mittelgehäuseflansch
führt.
Das daraus resultierende Steckenbleiben der Leitschaufeln führt zwangsläufig zu
einer Überlastung
der Brennkraftmaschine. Eine weitere Konsequenz dieser Überlastung
kann ein fortschreitender Schaden des Motorzylinderkopfs sein. Eine Überlastung
führt außerdem zu einer
zu hohen Drehzahl des Turbinenrads, aus der sich ein Radverschleiß und eine
Lagerbeschädigung ergibt.
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Die
Aufgabe der Erfindung kann insbesondere durch die Kombination der
Merkmale gelöst
werden, die in Anspruch 1 dargelegt sind. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Die
Aufgabe der Erfindung kann insbesondere durch einen Turbolader gelöst werden,
der ein Mittelgehäuse
und ein Turbinengehäuse
mit einer dazwischen angeordneten, variablen Düsenvorrichtung aufweist, und
der weiterhin eine ringförmige
Anordnung von verstellbaren Leitschaufeln aufweist, die in eine
ringförmigen
Düse eingefügt sind,
um eine Vielzahl von Düsendurchlässen zu
definieren, wobei die Leitschaufeln jeweils in Richtung des Mittelgehäuses oder
des Turbinengehäuses
axial elastisch gestützt sind.
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Gemäß einem
bestimmten Ausführungsbeispiel
eines derartigen Turboladers sind die Leitschaufeln axial elastisch
gegen das Mittelgehäuse über eine
ringförmige
Platte gestützt,
die sich im Wesentlichen koaxial zu der ringförmigen Anordnung der Leitschaufeln
erstreckt und jeweils in Richtung des Mittelgehäuses oder des Turbinengehäuses durch
eine elastische Vorrichtung, vorzugsweise eine Federvorrichtung,
elastisch vorgespannt ist.
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In
einem besonderen, bevorzugten Ausführungsbeispiel des Turboladers
gemäß der Erfindung sind
die Federn der elastischen Vorrichtung in Bohrungen des Mittelgehäuses angeordnet
und wirken auf Vorsprünge
der ringförmigen Platte,
die sich derart ins Innere der Bohrungen erstrecken, dass die ringförmige Platte
gegen den an dem Turbinengehäuse
ausgebildeten Stufenabschnitt gedrängt ist.
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Gemäß einer
alternativen Lösung
der Aufgabe der Erfindung ist ein sich selbst ausrichtender Federmechanismus
vorgesehen, der automatisch die Bindungsbeanspruchung der Leitschaufeln
löst und somit
verhindert, dass die Leitschaufeln stecken bleiben. Derartige selbst
ausrichtende Federmechanismen weisen vorzugsweise eine ringförmige Platte auf,
die als eine Tellerfeder (Blattfeder) ausgebildet ist, welche sich
im Wesentlichen koaxial zu der ringförmigen Anordnung der Leitschaufeln
erstreckt und jeweils in Richtung des Mittelgehäuses oder des Turbinengehäuses elastisch
vorgespannt ist.
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Die
vorhergehende und andere alternativen oder modifizierten Lösungen gemäß der Erfindung sind
im Folgenden auf der Basis von verschiedenen Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren beispielhaft dargestellt.
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In
den Figuren:
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1 zeigt
eine Ansicht einer Schnittansicht einer variablen Düsenvorrichtung,
die zwischen dem Mittelgehäuse
und dem Turbinengehäuse
eines Turboladers angeordnet ist;
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht der variablen Düsenvorrichtung von 1;
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3 zeigt
eine Vorderansicht des Verstellrings in drei verschiedenen Stellungen
eines Leitschaufelpaars, das hinter dem Verstellring befestigt ist,
zum Darstellen der Funktion der variablen Düsenvorrichtung;
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4 zeigt
eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
der ringförmigen
Platte als einen Teil der variablen Düsenvorrichtung;
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5 zeigt
eine Anordnung einer Federvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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6 zeigt
eine Anordnung einer Federvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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7 zeigt
eine Anordnung einer Federvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, die
in die ringförmige
Verstellplatte aufgenommen ist;
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8 stellt
ein Federelement dar, das in einem vierten Ausführungsbeispiel der Federvorrichtung
verwendet wird;
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9 stellt
ein fünftes
Ausführungsbeispiel der
Federvorrichtung dar;
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10 zeigt
eine Ansicht einer Schnittansicht einer variablen Düsenvorrichtung
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die zwischen dem Mittelgehäuse und dem Turbinengehäuse eines
Turboladers angeordnet ist; und
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11 zeigt
eine Vorderansicht der Verstellplatte der variablen Düsenvorrichtung
in 10;
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Wie
in den 1, 2 und 3 gezeigt ist,
ist die Turbinenseite eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine durch
ein Turbinengehäuse 1 festgelegt,
das an einem Mittelgehäuse 3 durch
ein V-förmiges
Band (V-Band) 6 gesichert ist. In 1 sind die
jeweiligen Flanschabschnitte des Turbinengehäuses und des Mittelgehäuses dargestellt,
die entlang einer sich radial erstreckenden Kupplungsfläche 5 gegeneinander
stoßen.
Zwischen dem Turbinengehäuse 1 und
dem Mittelgehäuse 3 gibt
es eine eingekeilte, variable Düsenvorrichtung 4.
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Die
variable Düsenvorrichtung 4 weist
eine ringförmige
Anordnung von Leitschaufeln 7 auf, die in einer ringförmigen Düse 9 angeordnet
sind, welche sich zwischen einer Düsenfläche 11 des Turbinengehäuses 1 und
einem Verstellring 15 über
eine Turbine 2 erstreckt, wie insbesondere in 2 gezeigt
ist. Jede Leitschaufel 7 hat einen Stift 8, der
in einer Buchse 10 untergebracht ist, welche in ein korrespondierendes
Loch 12 des Turbinengehäuses 1 an der
Seite der Düsenfläche 11 gedrückt ist.
An der Seite der Leitschaufeln, die dem Verstellring 15 zugewandt
ist, ist jede Leitschaufel mit einem Teil 13 versehen,
der in eine korrespondierende Nut 14 des sich in einer
radial geneigten Richtung erstreckenden Verstellrings 15 eingreift.
Somit dient der Leitschaufelteil 13 als ein Betätigungsabschnitt
zum Drehen der korrespondierenden Leitschaufel 7 um den
jeweiligen Stift 8, um deren Lage in der Düse 9 zu
verändern. Der
Verstellring 15 ist mittels eines Kurbelmechanismus 16 zum
Verstellen der Schwenkposition der Leitschaufeln 7 drehbar.
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Die
Länge der
Teile 13 ist derart, dass sie vorzugsweise von dem Verstellring 15 in
Richtung einer ringförmigen
Verstellplatte 17 vorstehen. Die ringförmige Verstellplatte 17 ist
an ihrer dem Mittelgehäuse 3 zugewandten
Seite mit kolbenartigen Vorsprüngen
oder Bolzen 19 versehen, die am Umfang beabstandet voneinander
angeordnet und in Bohrungen 21 untergebracht sind, die
in einem Flansch 31 des Mittelgehäuses 3 ausgebildet
sind.
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Eine
besondere Gestaltung der ringförmigen Verstellplatte 117 mit
drei kolbenartigen Bolzen 119, die am Umfang beabstandet
voneinander angeordnet sind, ist in 4 gezeigt.
Falls es jedoch verlangt ist, können
mehr als drei Bolzen vorgesehen sein, wobei außerdem die Querschnittsform
der Bolzen auch abhängig
von der Form der entsprechenden Löcher 31 geeignet variiert
werden kann.
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Zwischen
jedem Bolzen 19 und dem Bodenabschnitt der jeweiligen Bohrung 21 ist
eine Federvorrichtung vorgesehen, die durch eine sich axial erstreckende
Spiralfeder 23 und einen Federgrunddorn 25, der
als Verstellhalterung dient, gebildet wird.
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Die
Federvorrichtung kann durch Befestigen der Feder 23 an
dem Dorn 25 durch einen Hartlöt- oder ein Weichlötprozess
vorgefertigt sein. In dem ersten Zusammenbauschritt wird der Federgrunddorn 25 in
die jeweilige Bohrung 21 eingepasst. In einem weiteren
Schritt werden die Leitschaufeln 7 mit dem Verstellring 15 in
das Turbinengehäuse 1 eingebaut.
Dann wird die ringförmige
Verstellplatte 17 in den Flanschabschnitt 27 des
Turbinengehäuses 1 derart
eingesetzt, dass sie gegen einen Stufenabschnitt 29 des
Turbinengehäuses 1 mit
den Bolzen 19 anliegt, die in axialer Richtung weg von
dem Turbinengehäuse 1 weisen.
Anschließend
werden das Mittelgehäuse 3 und
die Federvorrichtung derart in das Turbinengehäuse 1 eingebaut, dass
die Bolzen 19 der ringförmigen
Verstellplatte 17 in die korrespondierenden Bohrungen 21 des
Mittelgehäuses 3 gleiten
und an den Federn 23 anliegend sind, dass die Verstellplatte 17 ein
wenig gegen den Stufenabschnitt 29 gedrückt wird.
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Schließlich wird
das Mittelgehäuse 3 an
dem Turbinengehäuse 1 mittels
einem nicht speziell gezeigten V-förmigen Band oder nicht Bolzen
derart gesichert, dass die Bolzen 19 in dem vollständig zusammengebauten
Zustand der Turbine die Federn 23 ein wenig zusammendrücken und
ein kleiner Zwischenraum zwischen der Verstellplatte 17 und
dem Flansch 31 des Mittelgehäuses zurückbleibt. In diesem zusammengebauten
Zustand ist außerdem
ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Leitschaufelteil 13 und der
Verstellplatte 17 festgelegt.
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Während dem
Betrieb des Turboladers kommt es vor, dass das Turbinengehäuse mit
seiner Düsenfläche 11,
dem Verstellring 15, den Leitschaufeln 7, oder
auch anderen Bauteilen der variablen Düsenvorrichtung, und der Leitschaufelmechanismus axial
derart verspannt sind, dass der Spalt zwischen der Düsenfläche 11 des
Turbinengehäuses
und dem Mittelgehäuseflansch 31 verringert
wird und sich die Leitschaufelteile 13, der Verstellring 15 oder
andere Bauteile des Leitschaufelmechanismus in 1 nach
links ausdehnen.
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Aufgrund
der besonderen Anordnung in diesem Ausführungsbeispiel berühren die
zuvor genannten Bauteile jedoch nur die Verstellplatte 17,
die in 1 durch Zusammenpressen der Federn 23 elastisch
nach links verschoben wird, anstatt das Mittelgehäuse 3 zu
berühren,
das das zuvor genannte „Leitschaufel-Steckenbleiben" verursacht, und
die Leitschaufeln daran gehindert werden, frei verstellbar zu sein.
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Die
Anordnung der Federvorrichtung und der korrespondierenden Bolzen
kann auf eine andere Weise gestaltet und konstruiert sein.
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Gemäß einem
in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Zapfen 125 derart
eingeschraubt werden, dass er genau in der zugehörigen Bohrung des Mittelgehäuses mit
einem Schraubenzieher in Stellung gebracht werden kann.
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6 zeigt
eine andere Möglichkeit
zum Entwerfen der Federvorrichtung, in der der Dorn 225 aus
einem Gleitkonus hergestellt ist. Ein derartiger Konus kann mit
Kraft in die jeweilige Bohrung 221 des Mittelgehäuses 203 eingesetzt
werden. Um einen Presssitz zu erhalten, kann der Federdorn 225 einfach
in die entsprechende Bohrung 221 mit dem Schraubenzieher
und einem Hammer eingesetzt werden.
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Gemäß einem
weiteren, in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
können
die Bohrungen in dem Mittelgehäuse
und die korrespondierenden, in jeder Verstellplatte 317 vorgesehenen
Bolzen 319 maßgeblich
größer als
der Durchmesser der Federn 323 gestaltet sein. In einem
derartigen Fall ist eine Aussparung 333 in jedem Bolzen 319 vorgesehen,
wie in 7 gezeigt ist, so dass die Federvorrichtung innerhalb
der zugehörigen
Aussparung platziert werden kann. Nachdem der verstellbare Leitschaufelmechanismus
in das Turbinengehäuse
eingebaut ist, wird dann die Verstellplatte mit den Federn in dem
Turbinengehäuse
derart platziert, dass sie an dem Stufenabschnitt 29 aufliegt,
wie in 1 gezeigt ist. Schließlich wird das in 1 gezeigte
Mittelgehäuse 3 derart
zusammengebaut, dass die von der Verstellplatte 317 vorstehenden
Federn 323 entlang den Bolzen 319 in die korrespondierenden
Bohrungen gleiten. Das Mittelgehäuse wird
dann durch ein V-förmiges
Band oder einen Bolzen, die nicht eigens in den Fig. gezeigt sind,
an dem Turbinengehäuse
gesichert.
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Wie
in einem weiteren, in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, kann jede Bohrung 421 als eine Bohrung
mit mehreren Durchmessern mit wenigstens zwei Abschnitten mit den
jeweiligen Durchmessern D1 und D2 gestaltet sein, wobei D1 > D2 ist.
Wenn eine derartige Konstruktion verwendet wird, wird die jeweilige
Feder 423 insbesondere durch Trockeneis oder andere Kühlverfahren
derart abgekühlt,
dass der Durchmesser der Feder 423 auf einen Durchmesser
schwindet, der kleiner als D2 ist. Jede
Feder 423 wird dann in die korrespondierende Bohrung 421 des
Mittelgehäuses
geschoben, bis sie an der Hinterseite des zugehörigen Lochs anliegt, an der
der Durchmesser gleich D1 ist. Nach dem
Aufwärmen
auf Raumtemperatur nimmt die Feder im Durchmesser zu, so dass ihr
nominaler Durchmesser größer als
D2 ist, und somit wird die Feder am Herausgleiten
gehindert. Der Durchmesser D2 kann vorzugsweise
derart gewählt
sein, dass es ein minimales Übermaß zwischen
den Löchern
und den Federn bei Raumtemperatur gibt.
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Das
obere Zusammenbauverfahren kann derart modifiziert werden, dass
das Einbauen der Federn in das Mittelgehäuse anstelle durch Kühlen der Federn
auch durch Erhitzen des Mittelgehäuses erreicht werden kann,
so dass der Flansch und die Löcher
in dem Flansch größer im Durchmesser
werden. Die Feder kann dann in die Bohrung mit mehreren Durchmessern
gleiten, und schließlich
kann zugelassen werden, dass das Mittelgehäuse auf Raumtemperatur abkühlt.
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Ein
fünftes,
in 9 gezeigtes Ausführungsbeispiel zeigt eine Federvorrichtung,
deren Stellung verglichen zu dem in 6 gezeigten
Ausführungsbeispiel
zwischen der ringförmigen
Verstellplatte 517 und dem Mittelgehäuse 503 umgekehrt
ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Dorn 525 aus einem Gleitkonus hergestellt, der
in eine Bohrung 521b der ringförmigen Verstellplatte 517 eingesetzt
ist. Die Bohrung 521b ist einer koaxial korrespondierenden Bohrung 521a zugewandt,
die in dem Mittelgehäuse 503 derart
ausgebildet ist, dass die Feder 523 in ihr einfach gleiten
kann, wenn die Turbine zusammengebaut wird. Die Verjüngung des
Dorns 525 kann verschraubt oder mit Kraft in die entsprechende
Bohrung 521b der Verstellplatte 517 eingebracht
werden, oder auch durch einen Presssitz gesichert sein.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
und Modifikationen der Erfindung können von einem Fachmann durch
bloßes
Kombinieren von Elementen von einem oder mehrerer der vorhergehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
erreicht werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel des
Turboladers gemäß der Erfindung
kann die Verstellplatte als eine Tellerfeder gestaltet sein, die
zum elastischen Anstoßen
des Leitschaufelteils und/oder des Verstellrings gegen das Turbinengehäuse dient. Mittels
einer derartigen Anordnung kann die Verwendung von besonderen Bolzen,
Federn und Löchern
in dem Mittelgehäuse
entfallen.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Verstellplatte aus sehr nachgiebigem Material hergestellt
sein, das im Stande ist, die Verformung aufzunehmen, die durch Hineindrücken der
jeweiligen Leitschaufel in sie entsteht, ohne dass die Bauteile
verbunden werden.
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Gemäß einem
weiteren, in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Verstellplatte 617 in einer ringförmigen Nut 620 platziert,
die in der Düsenfläche 611 des
Turbinengehäuses 601 ausgespart
ist. Der obere Abschnitt 622 der Düsenfläche über dem äußeren Durchmesser der Nut 620 ist
derart bearbeitet, dass, wenn die Verstellplatte 617 in
der Nut platziert ist und mit dem Bodenteil der Düsenfläche 611 zusammengeschlossen
ist, sie aus dem oberen Abschnitt 622 der Düsenfläche heraussteht
und somit ein Spalt zwischen den Leitschaufeln 607 und
dem oberen Abschnitt 622 der Düsenfläche gebildet wird. An dem Boden
der ringförmigen
Nut 620 sind drei oder mehr Löcher in vorgegeben Winkelabständen zum
Aufnehmen von Spiralfedern 623 mit etwa demselben Durchmesser
gebohrt, wobei die Federn gegen die Verstellplatte 617 anstoßen, um die
Verstellplatte 617 gegen die ringförmige Anordnung der Leitschaufeln 607 zu
drängen.
Wie ferner in 11 gezeigt ist, ist die Verstellplatte
mit einer Vielzahl von Löchern 612 versehen,
um korrespondierende Stifte der Leitschaufeln 607 aufzunehmen.
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Um
die variable Düsenvorrichtung
gemäß diesem
weiteren Ausführungsbeispiel
zusammenzubauen, ist das Turbinengehäuse 601 anfänglich derart
platziert, dass das offene Ende der Nut 620 und die Löcher 621 nach
oben weisen. Dann werden die Spiralfedern 623 in den Löchern 621 platziert
und anschließend
wird die ringförmige
Verstellplatte 617 in der Nut 620 derart platziert,
dass die Fläche
der Verstellplatte, die dem heißen
Gas in der Düse 609 ausgesetzt
ist, mit dem Bodenteil der Düsenfläche 611 zusammengeschlossen
ist und an dem oberen Teil 622 der Düsenfläche hervorsteht. Somit übernimmt die
Verstellplatte 617 die Funktion der Düsenfläche 611 mit dem Zweck
der Steuerung einer Gasströmung
durch die Düse 609.
Als ein nächster
Schritt werden die Leitschaufeln 607 und der Verstellring 615 in
das Turbinengehäuse 601 eingebaut
und dann wird das Mittelgehäuse 603 an
dem Turbinengehäuse 601 befestigt.
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Während dem
Betrieb der variablen Düsenvorrichtung
berühren
die Leitschaufeln 607 anfänglich nicht den oberen Abschnitt 622 der
Düsenfläche und
es gibt zwischen ihnen einen Spalt, wie in 10 gezeigt
ist. Wenn ein Spaltverlust axial zwischen der Turbinengehäusedüsenfläche 611 und
dem Mittelgehäuseflansch 631 aufgrund
von thermischer Verformung der verschiedenen Bestandteile auftritt, üben die
Leitschaufeln 607 Druck auf die Verstellplatte 617 aus,
die sich abhängig
von dem Widerstand der Federn 623 nach innen in die ringförmige Nut 620 bewegt.
Das Ergebnis einer derartigen Bewegung ist, dass sich die Bindungsbeanspruchung
der Leitschaufeln löst
und ein Leitschaufel-Steckenbleiben wirksam verhindert wird. Wenn
sich die axiale Verschiebung der Turboladerbauteile verringert,
bewegt sich die Verstellplatte 617 aufgrund der Lastkraft
der Federn 623 aus der Nut 620 in seine ursprüngliche Position
zurück.
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Die
Form und Anordnung der Verstellplatte 617 mit der angemessenen
elastischen Vorrichtung einschließlich der Federn 623 kann
gemäß jedem
der vorhergehend erklärten
Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die 4 bis 9 modifiziert
werden.