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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem Turboladergehäuse, bestehend
beispielsweise aus einem Turbinengehäuse, einem Verdichtergehäuse und
einem Lagergehäuse,
das mittels Zuganker verschraubt ist.
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Normalerweise
besteht ein Turbolader aus einer Abgasturbine in einem Abgasstrom,
die über
eine Turbowelle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist.
Auf der Turbowelle sind hierzu beispielsweise ein Turbinenrad und
ein Verdichterrad drehbar gelagert. Das Turbinenrad ist hierbei
in einem Turbinengehäuse des
Turboladers untergebracht und das Verdichterrad in einem entsprechenden
Verdichtergehäuse.
Beide Gehäuse
sind über
ein Lagergehäuse
miteinander verbunden. Das Turbinenrad der Turbine wird durch den
Abgasstrom des Motors in Drehung versetzt und treibt dabei das Verdichterrad
des Verdichters an. Hierdurch erhöht der Verdichter den Druck
im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine
größere Menge
Luft in den Zylinder gelangt. Dies hat zur Folge, dass mehr Sauerstoff
zur Verfügung
steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge
verbrannt werden kann. Hierbei kann die Leistungsabgabe erhöht werden,
da der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment steigt.
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Aus
der Patentanmeldung von Siemens mit der Anmeldenummer 10 2007 017
824.9 sind Abgasturbolader bekannt, bei denen ein Turbinengehäuse über Zuganker
verschraubt wird. Dabei wird beispielsweise das Turbinengehäuse mit
dem Lagergehäuse über mehrere
Zuganker verschraubt.
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Diese
Zugankerverschraubung hat den Vorteil, dass sie eine hohe Verschraubungssicherheit
gewährleistet.
Von Nachteil ist jedoch, wenn die Schraubköpfe und deren Zylindersenkungen
im Bereich des Verdichterdiffusors und damit im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten
liegen. Dies kann zu Wirkungsgradverlusten führen aufgrund von Verwirbelungen.
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Des
Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, wie er beispielsweise
in der
DE 698 27 307
T2 offenbart ist, das Turbinengehäuse statt mittels einer Zugankerverschraubung über sog.
kurze Schrauben zu verschrauben. Dabei wird das Turbinengehäuse an einem
Flansch an einer gegenüberliegenden
Seite des Lagergehäuses
festgeschraubt und entsprechend das Verdichtergehäuse an einem
Flansch am anderen Ende des Lagergehäuses.
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Dies
hat jedoch den Nachteil, dass die Herstellung und die Montage deutlich
aufwendiger ist, da entsprechende Bohrungen an dem Lagergehäuse und
dem Verdichter- und Turbinengehäuse
vorgesehen werden müssen.
Des Weiteren müssen
eine Vielzahl von Schrauben verschraubt werden. Außerdem kann
nicht die Verschraubungssicherheit erzielt werden, wie bei der Zugankerverschraubung.
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In
der
DE 103 11 996
A1 ist des Weiteren eine Anordnung eines Abgasturboladers
mit einem Trägergehäuse offenbart.
Der Abgasturbolader wird an einem Lagergehäuse mit dem Trägergehäuse mittels
eines Befestigungselements fixiert, wobei das Befestigungselement
senkrecht zu der Drehachse einer im Lagergehäuse angeordneten Welle ausgerichtet
ist. Das Befestigungselement wird hierbei als Schrauben ausgeführt, deren
Schraubenköpfe
innerhalb des Durchmessers des Lagergehäuses angeordnet werden.
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Des
Weiteren ist in der
EP
0 286 883 A1 ein Abgasturbolader offenbart. Dabei ist ein
Turbinengehäuse an
einem Lagergehäuse
mittels kurzer Schrauben angeschraubt.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader
mit einem Turboladergehäuse
bereitzustellen, bei dem das Gehäuse
mit einer Zugankerverschraubung verschraubt werden kann, wobei jedoch
das Auftreten von Verwirbelungen durch die Zugankerverschraubung
zumindest reduziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Turbolader mit einem Turboladergehäuse mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader
mit einem Turboladergehäuse
bereitgestellt:
- – wobei das Turboladergehäuse ein
Lagergehäuse
und wenigstens ein Laufradgehäuse
aufweist und
- – wobei
das Lagergehäuse
und das Laufradgehäuse
mittels einer Zugankerverschraubung verschraubt sind, und
- – wobei
wenigstens ein Kopf eines Zugankers der Zugankerverschraubung mit
einem Abdeckelement abgedeckt ist.
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Der
Turbolader hat dabei den Vorteil, dass einerseits das Turboladergehäuse mit
einer Zugankerverschraubung versehen werden kann, welches eine hohe
Verschraubungssicherheit gewährleistet.
Andererseits werden die Köpfe
der Zuganker derart abgedeckt, so dass Verwirbelungen zumindest
deutlich reduziert oder sogar im Wesentlichen verhindert werden
können,
so dass ein Wirkungsgrad des Laufradgehäuses nicht beeinträchtigt wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Laufradgehäuse
ein Turbinengehäuse
und/oder ein Verdichtergehäuse.
Das bedeutet, dass gemäß der Erfindung
sowohl das Turbinengehäuse
als auch das Verdichtergehäuse
grundsätzlich
mit einer Zugankerverschraubung befestigt werden können.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
deckt das Abdeckelement einen, mehrere oder alle Köpfe der
Zuganker der Zugankerverschraubung zumindest teilweise oder vollständig ab.
Dies hat den Vorteil, dass wenn Luft oder Abgas an den Zugankerschrauben
vorbeiströmt,
Verwirbelungen zumindest erheblich reduziert werden können, da
Luft nicht direkt an den Köpfen
der Zugankerschrauben und den entsprechenden Senkungen im Gehäuse vorbeiströmt, sondern
von diesen durch das Abdeckelement abgeschirmt wird.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Abdeckelement zumindest teilweise oder vollständig geschlossen
ausgebildet. Wahlweise kann das Abdeckelement auch mit Durchtrittsöffnungen versehen
sein, die gerade ausreichend groß sind für den Werkzeugeingriff eines
zugeordneten Zugankers. Dadurch wird ebenfalls nur eine möglichst
kleine Angriffsfläche
für Verwirbelungen
geboten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Abdeckelement in einer Aufnahme an dem Laufradgehäuse und/oder
dem Lagergehäuse
angebracht. Die Aufnahme kann dabei eine Vertiefung oder ein Vorsprung
sein, an der das Abdeckelement befestigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann
das Abdeckelement auch beispielsweise mittels Verschrauben oder
dergleichen befestigt werden. Die Verschraubung ist dabei beispielsweise
in einem Bereich vorgesehen, wo es nach Möglichkeit keine oder kaum Verwirbelungen gibt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Abdeckelement als ein Teil einer Wand eines Diffusors
des Laufradgehäuses
ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass hierbei der Wirkungsgrad
des Laufradgehäuses
im Wesentlichen nicht beeinträchtigt
wird und das Abdeckelement eine Doppelfunktion aus Abdeckung der
Köpfe der
Zuganker und Bereitstellen einer Wand des Laufradgehäuses erfüllen kann.
Hierdurch können
Montage- und Herstellungskosten eingespart werden.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Abdeckelement beispielsweise ein Abdeckblech. Solche Abdeckbleche
haben den Vorteil, dass sie leicht herzustellen sind und beispielsweise
leicht umgeformt werden können,
um wie zuvor beschrieben beispielsweise als Wand eines Diffusors
eines Laufradgehäuses
ausgebildet zu werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Abdeckelement beispielsweise ein Stopfenelement
zum Abdecken wenigstens eines Kopfes eines Zugankers. Das Stopfenelement
kann dabei die Form einer Kappe aufweisen, die den Schraubenkopf
umgibt. Eine solche Kappe ist einfach in der Herstellung und lässt sich
leicht montieren. In einer alternativen Ausführungsform kann das Stopfenelement
auch eine Platte mit einem Vorsprung bzw. Stecker aufweisen, der
in einen Kopf eines Zugankers einführbar ist. Die Platte kann
dabei mit dem Schraubenkopf abschließen oder über diesen zumindest teilweise
oder vollständig
hinaus stehen, um beispielsweise den Schraubenkopf und eine Senkung
im Lagergehäuse
zumindest teilweise oder vollständig
abzudecken. Ein solches Stopfenelement kann ebenfalls leicht hergestellt
und montiert werden. Das Stopfenelement kann dabei auch derart ausgebildet
sein, dass die Platte nicht nur einen Vorsprung bzw. Stecker aufweist
sondern mehrere, um auf diese Weise gleich mehrere Köpfe von
Zugankern zu bedecken.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematischer Ausschnitt eines Turboladers mit einem Turboladergehäuse, bei
dem das Gehäuse
direkt verschraubt ist, gemäß dem Stand
der Technik;
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2 ein
schematischer Ausschnitt eines Turboladers mit einem Turboladergehäuse, bei
dem das Gehäuse
mit einer Zugankerverschraubung versehen ist, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 ein
Ausschnitt des Turboladers mit dem Turboladergehäuse gemäß 2, wobei
das Verdichtergehäuse
und das Lagergehäuse
hierbei gezeigt ist, und
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4a, 4b Beispiele
für ein
Stopfenelement als Abdeckelement.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist
ein schematischer Ausschnitt eines Turboladergehäuses 10 gemäß dem Stand
der Technik gezeigt, das Teil eines Turboladers ist (nicht dargestellt).
Das Turboladergehäuse 10 bzw.
dessen Turbinengehäuse 28 ist
dabei mit verhältnismäßig kurzen
Schrauben 12 direkt an einem Lagergehäuse 14 angeschraubt.
Das Lagergehäuse 14 weist
hierzu an seinem dem Turboladergehäuse 10 gegenüberliegenden Ende
einen Flansch 16 auf, an dem das Turboladergehäuse 10 mittels
mehrerer Schrauben 12 festgeschraubt wird, wie in 1 gezeigt
ist. Die Schraubköpfe 18 der
Schrauben 12 liegen dabei außerhalb des Lagergehäuses 14 und
des Turbinengehäuses 10,
so dass keine Verwirbelungen entstehen können, die zu einer Reduzierung
des Wirkungsgrads führen.
Allerdings hat diese Konstruktion den Nachteil, dass sie aufwendig
zu montieren ist und keine Verschraubungssicherheit bietet, wie
die Zugankerverschraubung.
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Dies
wird auch deutlich bei dem folgenden Vergleich zwischen Zugankerverschraubung
und Direktverschraubung.
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Im
Nachfolgenden ist eine Gegenüberstellung
gezeigt von einer Zugankerverschraubung und einer Direktverschraubung.
Als Zuganker wird dabei ein M6 Zuganker verwendet und als Schraube
für die
Direktverschraubung eine Sechskantschraube M6x15. Zuganker
M6
Mittlere
Temp. Anker | 300°C |
Mittlere
Temp. Lagergehäuse
(LG) | 280°C |
Rp
0,2 bei 300°C | 540
N/mm2 |
Ausnutzung | 1 |
Dehnlänge | 50
mm |
E-Modul | 210000
N/mm2 |
Wärmeausdehnungskoeffizient
Anker | 17,4
1/K |
Wärmeausdehnungskoeffizient
LG | 13
1/K |
| |
Vorspannkraft | 10854
N |
Längenänderung
durch Fs | 0,12857143
mm |
Längenänderung
durch Temp. | 0,261
mm |
Längenänderung
LG durch Temp. | 0,182
mm |
| |
Restdehnung | 0,04957143
mm |
Restvorspannung | 4184,82
N |
Sechkantschraube
M6x15 (Direktverschraubung)
Mittlere
Temp. Anker | 500°C |
Mittlere
Temp. Lagergehäuse
(LG) | 320°C |
Rp
0,2 bei 300°C | 540
N/mm2 |
Ausnutzung | 1 |
Dehnlänge | 5
mm |
E-Modul | 210000
N/mm2 |
Wärmeausdehnungskoeffizient
Anker | 17,4
1/K |
Wärmeausdehnungskoeffizient
LG | 13
1/K |
| |
Vorspannkraft | 10854
N |
Längenänderung
durch Fs | 0,01285714
mm |
Längenänderung
durch Temp. | 0,0435
mm |
Längenänderung
LG durch Temp. | 0,0208
mm |
| |
Restdehnung | –0,00984286
mm |
Restvorspannung | –8309,34
N |
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Aus
der Bestimmung der einzelnen Parameter geht hervor, dass die Zugankerverschraubung
(Schraubenkopfauflage am verdichterseitigen Flansch des Lagergehäuses, lange
Schraube) nur einen geringen Vorspannverlust aufzeigt gegenüber einer
Direktverschraubung mit kurzen Schrauben. Die Verbesserung wird über die
insgesamt deutlich größere Dehnung
und die geringere mittlere Temperatur des Zugankers erreicht. Die
Direktverschraubung (Schraubenkopfauflage am turbinenseitigen Flansch
des Lagergehäuses,
kurze Schraube) braucht aufgrund der höheren Bauteiltemperaturen zusätzlich noch
einen höherwertigen
Schraubenwerkstoff.
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In 2 ist
nun ein schematischer Ausschnitt eines Turboladers 20 mit
einem Turboladergehäuse 10 gezeigt,
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Turbolader 20 weist dabei eine Turbowelle 22 auf, auf
der auf einer Seite ein Turbinenrad 24 gelagert ist und
auf der anderen Seite ein Verdichterrad 26. Die Turbowelle 22 ist
dabei in einem Lagergehäuse 14 angeordnet.
Das Turbinenrad 24 ist hierbei in einem Turbinengehäuse 28 angeordnet
und entsprechend das Verdichterrad 26 in einem Verdichtergehäuse, wobei
das Verdichtergehäuse
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in 2 nicht eingezeichnet wurde.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik, indem jeweils das Turbinengehäuse 28 und
das Verdichtergehäuse
mit dem Lagergehäuse 14 direkt
verschraubt sind, ist gemäß der Erfindung
eine Zugankerverschraubung 30 vorgesehen. Dabei wird das
Turbinengehäuse 28 mit
dem Lagergehäuse 14 an
dessen dem Verdichtergehäuse
gegenüberliegenden
Endes (Schraubenkopfauflage am verdichterseitigen Flansch des Lagergehäuses) über wenigstens
eine oder mehrere Zugankerschrauben 32 verschraubt. Der
Zuganker 32 benötigt dabei
beispielsweise eine Senkung 34 im Lagergehäuse 14 in
der sein Schraubenkopf 36 versenkt wird. Hierbei lässt es sich
jedoch kaum vermeiden, den Zugankerkopf 36 im Bereich beispielsweise
eines Verdichterdiffusors des Verdichtergehäuses (nicht dargestellt) zu
platzieren. Da dort Luft mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmt, kann
es durch den Kopf 36 und seine Senkung 34 zu Verwirbelungen
kommen. Diese Verwirbelungen können
zu einer Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades führen.
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Erfindungsgemäß wird daher
der Kopf 36 des Zugankers 32 für die vorbeiströmende Luft
abgedeckt, so dass Verwirblungen zumindest deutlich reduziert oder
im Wesentlichen verhindert werden können. Ein Abdeckelement 38 kann
dabei beispielsweise ein Abdeckblech 40 sein, das vor dem
Kopf 36 des Zugankers 32 angeordnet wird und diesen
zumindest teilweise oder vorzugsweise im Wesentlichen vollständig abdeckt.
Hierzu kann eine entsprechende Aufnahme 42 in Form beispielsweise
einer Vertiefung 44 indem Turboladergehäuse 10 vorgesehen
sein, in der das Abdeckblech 40 eingelegt wird. Das Abdeckelement 38 kann
dabei geschlossen ausgebildet sein oder kleine bzw. gerade noch
ausreichend große
Durchtrittsöffnungen
für den Werkzeugeingriff
des Zugankers 32 aufweisen.
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Das
Abdeckelement 38 kann beispielsweise gleichzeitig auch
als Teil einer Wand 46 eines Diffusors 48 eines
Verdichtergehäuses 50 ausgebildet
sein, wie im nachfolgenden noch anhand von 3 erläutert wird.
Dabei kann wenigstens ein Abdeckelement 38 vorgesehen werden,
um alle Köpfe 36 der
Zuganker 32 abzudecken oder mehrere Abdeckelemente 38,
je nach baulichen Gegebenheiten. Das Abdeckelement 38 kann
dabei symmetrisch, beispielsweise rotationssymmetrisch sein, je
nach baulichen Gegebenheiten des Lagergehäuses 10 bzw. der Rumpfgruppe
und des anschließenden
Turbinen- oder Verdichtergehäuses 28, 50. Es
muss aber nicht symmetrisch sein, sondern kann eine beliebige Form
aufweisen.
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Wahlweise
oder zusätzlich
kann der Kopf 36 des Zugankers 32 auch mit einem
Stopfenelement 52 als Abdeckelement 38 abgedeckt
werden. Zwei Beispiele solcher Stopfenelemente 52 sind
in den nachfolgenden 4a und 4b dargestellt.
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In 3 ist
des Weiteren ein Ausschnitt des Turboladers 20 mit dem
Turboladergehäuse 10 gemäß 2 gezeigt,
wobei das Verdichtergehäuse 50 und
das Lagergehäuse 14 hierbei
dargestellt sind. Hierbei ist das Turbinengehäuse 28 über einen
Zuganker 32 bzw. mehrere Zuganker 32 an einer
dem Verdichtergehäuse 50 gegenüberliegenden
Seite des Lagergehäuses 14 (Schraubenkopfauflage
am verdichterseitigen Flansch 54 des Lagergehäuse 14)
verschraubt.
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Um
den Kopf 36 des Zugankers 32 abzudecken ist ein
entsprechendes Abdeckelement 38 vorgesehen, das beispielsweise
in einer Aufnahme 42 des Turboladergehäuses 10 bzw. der Rumpfbaugruppe
aufgenommen ist. Wahlweise kann das Abdeckelement 38 aber
auch zusätzlich
befestigt sein, beispielsweise mittels Verschrauben oder dergleichen.
Dies gilt für
alle Ausführungsformen
der Erfindung.
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Das
Abdeckelement 38 ist hierbei beispielsweise ein Abdeckblech 40,
das wie zuvor beschrieben derart geformt ist, dass es einen Teil
einer Wand 46 des Diffusors 48 des Verdichtergehäuses 50 bildet.
Auf diese Weise können
Verwirbelungen, die sonst ohne das Abdeckelement 38 entstehen
würden,
verhindert oder deutlich reduziert werden. Im vorliegenden Fall können die
Verwirbelungen soweit reduziert werden, dass sich kein negativer
Einfluss auf den Wirkungsgrad ergibt.
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In 4a und 4b sind
zwei Beispiele für
Stopfenelemente 52 als Abdeckelemente 38 gezeigt,
wobei es für
den Fachmann offensichtlich ist, dass es hier eine Vielzahl von
Variationsmöglichkeiten
gibt. Das erste Stopfenelement 38 in 4a ist
beispielsweise in Form einer Kappe 56 ausgebildet, die
den Schraubenkopf 36 umgibt. Die Kappe 56 kann
dabei auch so ausgebildet sein, dass sie seitlich über den
Kopf 36 des Zugankers 32 hinaussteht, wie mit
einer gestrichelten Linie angedeutet ist, um zusätzlich beispielsweise die Senkung 34 im
Lagergehäuse 14 zumindest
teilweise oder vollständig
abzudecken. Dabei ist auch denkbar, eine Art Band auszubilden, an
der mehrere solcher Kappen 56 ausgebildet sind, um auf
diese Weise eine Reihe von Köpfen 36 von
Zugankerschrauben 32 abzudecken, wobei gleichzeitig die
Senkung 34 im Lagergehäuse 14 zumindest
teilweise oder vollständig
abgedeckt werden kann.
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Das
zweite Stopfenelement 52 in 4b ist
mit einer Platte 58 mit einem Vorsprung 60 bzw.
Stecker ausgebildet, der in die Vertiefung 62 des jeweiligen
Schraubenkopfs 36 eingeführt wird. Die Platte 58 des
Stopfenelements 52 kann dabei über den Schraubenkopf 36 überstehen,
um beispielsweise den Schraubenkopf 36 und die Senkung 34 im
Lagergehäuse 14 zumindest
teilweise oder vollständig
abzudecken. Dabei ist auch denkbar, dass die Platte 58 des
Stopfenelements 38 in Form eines Bandes ausgebildet ist,
mit mehreren Vorsprüngen 60 und
sich über
mehrere Schraubköpfe 36 erstreckt.
Alternativ kann das zweite Stopfenelement 38 statt dem
Vorsprung 60 oder zusätzlich
zu diesem mit einer Kappe 56 ausgebildet sein, wie mit
einer gestrichelten Linie in 4b eingezeichnet
ist.
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Des
Weiteren können
auch Stopfenelemente 38 vorgesehen sein, die in die durch
die Senkung 34 gebildeten Spalte 64 seitlich oder
umlaufend an den Köpfen 36 eingeführt werden,
um diese Spalte 64 abzudecken. Hierbei können die
Köpfe 36 selbst
mit einem Stopfenelement gemäß 4a oder 4b abgedeckt werden, wobei
die Platte 58 des Stopfenelements 38 in 4b mit
dem Kopf 36 der abzudeckenden Schraube 32 abschließen kann.
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Die
zuvor beschriebenen Abdeckelemente 38 können beispielsweise aus Metall
bzw. Blech hergestellt werden. Insbesondere auf der Verdichterseite
ist grundsätzlich
auch denkbar, die Abdeckelemente 38 beispielsweise aus
einem geeigneten Gummi bzw. Hartgummi oder Kunststoff herzustellen,
da die Verdichterseite nicht so heiß wird wie die Turbinenseite.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
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Insbesondere
lassen sich alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen sowohl auf das
Verdichtergehäuse 50 wie
auch auf das Turbinengehäuse 28 anwenden.
Das bedeutet, dass nicht nur das Turbinengehäuse 28 über eine
Zugankerverschraubung 30 an dem Lagergehäuse 10 befestigt
werden kann, wobei wenigstens ein entsprechendes Abdeckelement 38 vorgesehen
ist, zum Abdecken der Köpfe 36 der
Zuganker 32. Sondern sich die Zugankerverschraubung 30 und
das Vorsehen des Abdeckelements 38 entsprechend auch auf
das Verdichtergehäuse 50 übertragen
lässt.
So lässt
sich das Verdichtergehäuse 50 ebenso
mit dem Lagergehäuse 10 über eine
Zugankerverschraubung 30 verschrauben, wie das Turbinengehäuse 28 in
den 2 und 3.